高烈度地区公路隧道地震响应分析及抗震措施研究

发布时间：2017-08-08 15:11

  本文关键词：高烈度地区公路隧道地震响应分析及抗震措施研究

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【摘要】：我国是一个多地震国家,地震区域广阔而分散,地震频繁而强烈。隧道是重要的社会基础设施,在地震时一旦发生严重破坏,不但不能发挥生命线作用甚至还会成为救灾的阻碍。为了减小地震带来的损失,隧道结构的地震响应和抗减震措施的研究已迫在眉睫,特别是高烈度设防地区,相关研究更显得尤为重要。本文以高烈度地区某公路隧道工程为背景,为了把握高烈度地区隧道地震动力响应机理,对相关隧道进行地震动力响应和抗震技术的研究,开展了以下几个方面的分析,为高烈度地区隧道稳定性规律的研究提供一定依据。首先,收集国内外隧道的地震宏观震害资料,结合地震的震级、震源机制、地震动与烈度分布等因素分析隧道的破坏情况和典型震害。结合隧道的宏观震害,分析了隧道的震害机理和震害影响因素,得到隧道结构的震害机理主要可以分为地震惯性力引起的破坏、地震强制位移引起的破坏和围岩失稳引起的破坏三类；造成隧道严重受损的因素大致包括地震参数、围岩条件、断层、隧道埋深、隧道自身条件等。其次,分别从输入大小不同的峰值加速度、改变初支二衬的刚度、设置不同埋深等三个方面对隧道结构进行数值模拟计算,分析隧道二衬断面监测点上的最大轴力、最大剪力和最大弯矩值,得出隧道地震动力响应的规律。整个二衬断面的最大轴力、最大剪力和最大弯矩随着地震波峰值加速度的增大均不断地增大,且内力分布也越来越不均匀；仅增大初支的刚度有利于降低二衬断面的最大剪力和最大弯矩,而仅增大二衬的刚度会引起二衬断面各个部位的最大轴力增大,且增大二衬刚度比增大初支刚度的影响更大；随着隧道埋深增加,二衬断面的内力基本上呈现出逐步下降的趋势。最后,通过对比及查阅大量相关资料选择橡胶作为高烈度地区隧道的减震材料,在隧道初支和二衬之间设置减震层,考虑减震层不同的厚度和不同的设置范围,对比分析各个方案下的减震效果。计算结果表明,设置减震层能有效降低隧道的地震响应,且减震层的设置范围比厚度的影响更大。对于本文研究对象,最终建议采用5cm厚的橡胶减震层,全断面除仰拱段之外设置。
【关键词】：高烈度地区 公路隧道 地震动力响应 橡胶 减震层
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U452.28
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 隧道抗震设计计算理论研究现状13-14
• 1.2.2 隧道和岩土在地震下相互作用的研究现状14-15
• 1.2.3 隧道抗减震技术研究现状15-17
• 1.3 研究内容和技术路线17-20
• 1.3.1 主要的研究内容17-18
• 1.3.2 技术路线18-20
• 2 隧道震害调查与分析20-36
• 2.1 隧道震害调查20-30
• 2.1.1 台湾集集地震隧道震害20-21
• 2.1.2 日本中越地震隧道震害21-24
• 2.1.3 四川汶川地震隧道震害24-30
• 2.2 隧道震害机理分析30-32
• 2.2.1 地震惯性力30
• 2.2.2 地震强制位移30-31
• 2.2.3 围岩失稳31-32
• 2.3 隧道震害因素分析32-35
• 2.3.1 地震参数的影响32
• 2.3.2 围岩条件的影响32-33
• 2.3.3 断层的影响33-34
• 2.3.4 隧道埋深的影响34
• 2.3.5 隧道自身条件的影响34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 隧道地震动力响应理论基础及数值模型的实现36-50
• 3.1 隧道地震动力响应理论基础36-40
• 3.1.1 波动方程36-37
• 3.1.2 地震波的传播37-38
• 3.1.3 ABAQUS有限元软件计算原理38-40
• 3.2 粘弹性人工边界40-44
• 3.2.1 人工边界的发展41
• 3.2.2 等效粘弹性人工边界单元41-43
• 3.2.3 地震动输入的实现43-44
• 3.3 隧道地震动力响应数值模拟的实现44-49
• 3.3.1 计算模型的建立44-46
• 3.3.2 数值模拟的步骤46
• 3.3.3 地震波的输入46-49
• 3.4 本章小结49-50
• 4 隧道地震动力响应机理研究50-70
• 4.1 隧道地震动力响应的影响因素50-51
• 4.1.1 地震烈度50
• 4.1.2 隧道衬砌刚度50-51
• 4.1.3 隧道埋深51
• 4.2 隧道地震动力响应的三维数值模拟分析51-68
• 4.2.1 不同峰值加速度的地震作用下隧道的响应51-58
• 4.2.2 不同衬砌刚度的隧道在地震作用下的响应58-62
• 4.2.3 不同埋深的隧道在地震作用下的响应62-68
• 4.3 本章小结68-70
• 5 高烈度地区公路隧道抗震措施研究70-82
• 5.1 减震层材料选择70
• 5.2 橡胶材料简介70-72
• 5.2.1 橡胶材料的本构模型70-71
• 5.2.2 橡胶材料的阻尼机理71-72
• 5.3 带减震层的隧道在地震作用下的响应72-77
• 5.3.1 建立模型72-74
• 5.3.2 计算结果74-77
• 5.4 减震效果分析77-81
• 5.5 本章小结81-82
• 6 结论与展望82-84
• 6.1 结论82-83
• 6.2 展望83-84
• 参考文献84-88
• 作者简历及攻读专业硕士学位期间取得的研究成果88-92
• 学位论文数据集92

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