S波和P波作用下圆形隧道横断面地震响应分析

摘要

近年来，城市公共交通的需求急剧上升以及地上可开发空间不断减少，以地铁为代表的地下结构的规划和建造方兴未艾。国内地下结构的抗震研究主要集中于S波作用下的反应位移法，有关土-结接触面等相关因素以及P波作用下的结构反应的研究较少，本文就相关问题进行探讨。
　　本文的主要研究内容包括：S波和 P波作用下圆形隧道横断面内力和位移的解析解推导与验证，土-结接触面摩擦系数μ对衬砌受力影响分析以及基于反应位移法的S波和P波作用下横断面内力解答适用性分析。
　　首先根据接触面处土（岩）体与结构变形协调的原则，依次推到了S波和P波作用下横断面内力和位移的解析解，并将之与ABAQUS的数值解以及目前常用的解析解进行对比，通过大量算例验证了本文解析解的准确性和可靠性。然后，基于数值模拟，分析了土-结接触面摩擦系数μ对隧道内力的影响，结果表明：在S波和P波作用下，摩擦系数μ对隧道弯矩、剪力和变形变化影响较小，但对隧道轴力变化影响很大。最后，在假定接触面无滑移的前提下，采用反应位移法分析了S波和P波作用下的隧道内力，并与数值解进行对比，结果表明：S波作用下，反应位移法的弯矩、剪力解与数值解吻合，其轴力解误差与土-结刚度比F有关；P波作用下，仅轴力解与数值解吻合，然后对误差原因进行了理论分析。
　　本文的结论表明地震作用下接触面摩擦角的确定相当重要、采用反应位移法时应当谨慎以及 P波作用下的结构内力不可忽视等。本文的结论可为圆形隧道地震响应研究、设计提供一定的参考和依据。

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1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 地下结构的抗震特性

1.3 隧道横断面常用抗震分析方法

1.4 本文的主要工作

2 隧道横断面抗震分析基本理论

2.1 一维弹性波传播理论及应用

2.2弹性力学平面问题的复变函数解法

2.3 本章小结

3 S波作用下圆形隧道横断面地震响应分析

3.1 解析解推导过程

3.2 数值模型

3.3 数值解与解析解的对比

3.4 接触面摩擦系数μ的影响分析

3.5 本章小结

4 P波作用下圆形隧道横断面地震响应分析

4.1 解析解推导过程

4.2 数值模型

4.3 数值解与解析解的对比

4.4 接触面摩擦系数μ的影响分析

4.5 本章小结

5 与反应位移法对比

5.1 反应位移法介绍

5.2 计算结果对比分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表学术论文目录

附录2 本文所采用主要符号及其物理意义