基于大型振动台试验的偏压隧道地震动力响应规律研究

发布时间：2017-10-18 02:40

  本文关键词：基于大型振动台试验的偏压隧道地震动力响应规律研究

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【摘要】：我国西部地区地形条件复杂且多以山地、高原为主,随着西部大开发战略的持续推进,隧道作为一种重要的交通构筑物形式,广泛运用于铁路和山区公路工程。因地形、地质和环境因素等限制,不可避免的出现偏压隧道。近年来西部地区地震频发,每次高烈度地震都对交通设施造成严重破坏。如2008年的汶川大地震造成许多公路隧道受损破坏,其中就包括不少偏压隧道,隧道受损破坏后难以修复,从而造成重大经济损失。因此,研究偏压隧道地震动力响应规律具有重要的现实意义,并能够对偏压隧道的抗震设计提供有价值的参考。论文依托于国家自然科学基金项目“含地下洞室(群)岩石边坡地震灾变行为与抗震性能评价”(编号：51204125),展开偏压隧道大型振动台模型试验,研究其地震作用下的动力响应规律。采用MIDAS/NX有限元软件进行数值模拟,并与模型试验结果进行对比分析。研究内容主要包括：(1)振动台模型试验设计方案基于相似理论设计并完成了相似比为1：10的偏压隧道大型振动台试验。介绍了模型试验相似关系设计原则,确定主要物理量的相似常数。确定模型相似材料以及测点布置方案。将大瑞波、汶川波和Kobe波三种地震波作为输入波,并制定了试验加载方案。(2)偏压隧道地震动力响应规律分析根据振动台模型试验数据,研究了偏压隧道衬砌加速度、动应变和围岩压力分别在不同地震波类型、激振强度和加载方式条件下地震动力响应的变化规律。定义了加速度放大系数,分析衬砌水平和竖向加速度动力响应规律。研究结果揭示了水平和竖向加速度地震动力响应规律的差异性。并表明偏压隧道动力响应与地震波类型、幅值以及测点位置有关。地震中偏压侧衬砌主要受拉,而非偏压侧则承受拉-压应力且数值上远大于偏压侧,两者受力的不均匀性是其容易产生损坏的主要原因。水平地震波激振时产生地围岩动压力大于竖向地震波,且双向激振时的围岩动压力并不是水平和竖向简单的叠加。(3)偏压隧道动力响应数值模拟偏压隧道模型按三维问题处理,以输入不同激振幅值的汶川波(XZ双向)为例,采用MIDAS/NX有限元软件模拟,将偏压隧道数值模拟结果与模型试验比较分析,结果表明两者在变化趋势和数值上拟合程度较高,说明数值模拟和试验结果是合理的。在此基础上,用数值模拟分析偏压隧道在地震作用下的内力分布情况。
【关键词】：偏压隧道 地震动力响应 大型振动台模型试验 加速度响应 动应变响应 动围岩压力响应 数值模拟
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U452.28
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 地下结构抗震分析国内外研究现状11-19
• 1.2.1 地下结构震害及影响因素11-15
• 1.2.2 地下结构抗震研究历程与分析方法15-19
• 1.2.3 偏压隧道地震动力特性研究现状19
• 1.3 主要研究内容19-20
• 1.4 论文组织结构20-22
• 2 偏压隧道大型振动台模型试验设计22-36
• 2.1 研究方法、目的和内容22-23
• 2.1.1 研究方法22
• 2.1.2 研究目的22
• 2.1.3 研究内容22-23
• 2.2 模型试验相似理论23-26
• 2.2.1 相似理论23-24
• 2.2.2 模型相似关系设计原则24-25
• 2.2.3 模型相似常数25-26
• 2.3 振动台试验设备与测试元件26-28
• 2.3.1 振动台系统和数据采集仪26-27
• 2.3.2 传感器与测点的布置27-28
• 2.4 偏压隧道模型设计与制作28-33
• 2.4.1 模型箱结构设计与边界处理28-29
• 2.4.2 偏压隧道判断与模型制作29-33
• 2.5 地震波的选择及加载方案33-34
• 2.5.1 地震波的选取和输入方式33-34
• 2.5.2 试验加载方案34
• 2.6 本章小结34-36
• 3 偏压隧道大型振动台试验结果分析36-52
• 3.1 偏压隧道加速度地震动力响应36-44
• 3.1.1 加载方式对加速度动力响应规律的影响36-39
• 3.1.2 激振强度对加速度动力响应规律的影响39-42
• 3.1.3 地震波类型对加速度动力响应规律的影响42-44
• 3.2 偏压隧道动应变地震动力响应44-48
• 3.2.1 加载方式对应变动力响应规律的影响44-45
• 3.2.2 地震波类型对应变动力响应规律的影响45-46
• 3.2.3 激振强度对应变动力响应规律的影响46-48
• 3.3 偏压隧道围岩压力地震动力响应48-50
• 3.3.1 加载方式和激振强度对围岩压力动力响应规律的影响48-49
• 3.3.2 地震波类型和激振强度对围岩压力动力响应规律的影响49-50
• 3.4 本章小结50-52
• 4 偏压隧道地震动力响应规律数值模拟分析52-64
• 4.1 偏压隧道数值模型建模52-55
• 4.2 偏压隧道数值模拟与试验结果对比分析55-58
• 4.3 偏压隧道衬砌内力地震动力响应分析58-62
• 4.3.1 地震作用下衬砌轴力动力响应分析59-60
• 4.3.2 地震作用下衬砌弯矩动力响应分析60-61
• 4.3.3 地震作用下衬砌剪力动力响应分析61-62
• 4.3.4 地震作用下衬砌围岩塑性应变分布62
• 4.4 本章小结62-64
• 5 结论与展望64-68
• 5.1 试验主要工作与结论64-66
• 5.2 工作展望66-68
• 参考文献68-74
• 附录表A (攻读学位期间取得的学术成果)74-75
• 致谢75

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本文编号：1052480