基于动力非线性的隧道式锚碇力学响应分析

摘要

随着国内经济快速发展，生产方式逐渐向环境友好型转变，可持续发展成为土木工程建设领域重要思想理念。隧道式锚碇作为悬索桥受力结构的重要部分，以其开挖量低，对环境扰动少等优点成为理想的锚碇形式。本文基于弹塑性力学和动力学非线性基础理论，运用有限元软件，以普立特大桥隧道式锚碇为原型建立三维模型，以分析计算该结构体系的受力特征和地震动力响应，并提出抗减震措施。
　　①利用Ansys有限元软件的Drucker-Prager强度准则对锚区岩体进行材料定义;采用等效荷载法模拟对结构预应力;运用三维粘弹性边界理论模拟锚区半无限介质岩体边界条件，以及结合Matlab软件对输入地震波进行快速Fourier变换和滤波处理等，为仿真分析奠定了基础。
　　②计算普立特大桥隧道式锚碇模型静载效应，验算其常规设计荷载作用下的承载能力;分析了锚区岩体的初始应力场、锚塞体和围岩间的初始穿透、锚塞体预应力张拉以及主缆设计张拉荷载作用下锚区岩体和锚塞体的静力响应。
　　③对普立特大桥隧道式锚碇的地震动力响应进行分析。考虑锚区岩体在地震地面运动波作用下产生的大变形和主缆随机变化动张拉荷载下锚塞体的响应。分析锚区岩体对水平地面运动波的响应，按照目标选取6个监测点，对比分析应力时程响应，得到结果:锚区岩体的地震动力响应具有“辫梢”效应;坡顶质点的振幅大于坡底质点的振幅;锚区岩体的地震动力响应具有临空面效应等。
　　④地震时，从锚塞体及洞口边坡对主缆动张拉力荷载的响应方面考虑。以锚塞体底面4个角点及锚塞体前后锚面两个顶点为监测点，通过计算出来的应力及应力幅值分析，得到锚塞体前锚面质点的响应比锚塞体后锚面质点响应更强烈;洞口区域质点响应比远离洞口质点响应强烈;在约0s～4.4s及6.35s～10.65s时间段内锚塞体监测点振动强烈，锚塞体和围岩的紧密接触导致接触围岩质点塑性应变积累加剧等。
　　⑤通过锚区岩体对地震地面水平运动波的响应以及锚塞体、洞门边坡对主缆动张拉力的响应分析结果，分析锚区岩体及隧道式锚碇的稳定性，并针对研究结果对隧道式锚碇的抗减震措施进行了探讨。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 隧道锚碇的研究背景

1．1．2 隧道锚碇的研究目标

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道锚碇的研究进展

1．2．2 隧道锚碇在地震响应方面的研究

1．3 研究内容

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 隧道锚受力特性及动力数值模拟方法

2．1 隧道式锚碇结构特点

2．1．1 锚碇体系的结构形式及受力特点

2．1．2 锚区边坡的破坏模式

2．1．3 地震动力对锚区边坡的破坏

2．2 基于有限元法的动力数值模拟

2．2．1 锚区岩体材料的屈服准则

2．2．2 人工边界条件

2．2．3 边坡介质阻尼比

2．2．4 地震动输入

2．3 动力非线性的有限元计算原理

2．3．1 材料、几何非线性

2．3．2 接触非线性

2．3．3 时间步和平衡迭代

2．4 地震动力分析方法

2．4．1 拟静力法

2．4．2 反应谱分析法

2．4．3 时程分析法

2．5 地震波的选取

2．5．1 直接采用强震记录

2．5．2 采用模拟的地震波

2．6 本章小结

第三章 普利特大桥隧道锚碇数值模拟及承载力分析

3．1 普立桥隧道式锚碇工程概况

3．1．1 工程简述

3．1．2 工程地质情况

3．1．3 锚区岩体物理参数

3．1．4 锚碇材料及物理参数

3．2 计算模型的建立

3．2．1 锚区岩体

3．2．2 人工边界

3．2．3 锚塞体与开挖岩体

3．2．4 接触面

3．2．5 预应力筋

3．3 承载力计算

3．2．1 初始重力场

3．2．2 预应力张拉

3．2．3 锚塞体与岩体的挤压

3．2．4 主缆张拉

3．4 本章小结

第四章 隧道式锚碇地震响应时程分析

4．1 地震波

4．1．1 区域地震及岩体动参数

4．1．2 宁河天津地震波

4．1．3 随机地震波

4．2 地面运动波的输入

4．2．1 模型计算

4．2．2 边坡岩体的响应

4．3 主缆动张拉荷载的输入

4．3．1 模型计算

4．3．2 锚塞体的响应

4．3．3 洞口边坡的响应

4．4 本章小结

第五章 锚区边坡及锚碇抗减震措施探讨

5．1 锚区边坡抗减震措施

5．1．1 锚区边坡稳定性分析

5．1．2 抗减震措施

5．2 锚碇抗减震措施

5．2．1 锚碇稳定性分析

5．2．2 抗减震措施

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果