地震对隧道上高层建筑的动力特性分析

摘要

随着国家城市化进程的加快，世界各国莫不为了满足生产和消费的需要致力于建设高层建筑，高层建筑已然成为时代的产物。地下空间的开发和利用已经成为城市现代化进程的必然趋势，地铁作为地下空间开发利用的重要一环，已成为解决城市道路交通问题的一种有效手段。那么城市隧道上方建筑物在遭遇地震时是否还能保持结构性能就成为实践关注的的问题。因此如何选择隧道临近高层建筑的形式，了解结构的受力情况，掌握建筑的非线性地震反应时程分析，对于保证安全，节约投资、降低造价起着举足轻重的作用。同时可促进完善现有的计算分析方法和工程设计，使其更加的合理和满足日常生产的需要。通过对地震荷载作用下几种不同埋深的隧道引起的邻近高层建筑结构的动力响应进行分析，采用数值模拟研究，主要的研究内容和研究成果如下:
　　(1)分析了高层建筑和地下空间的研究现状及呈现出的问题，综述了有限元软件建模的基本原理，以及模拟实现方法。根据抗震分析理论，通过ANSYS通用后处理器进行二次开发，得出数值结果。
　　(2)以一框架简体结构为原型，根据经验公式Peck沉降槽理论及现场土质情况，确定结构岩土体模型尺寸，进行有限元数值模拟分析;应用此方法建立模型的所得结果能更接近工程实际，对预测结构的安全性起到一定的指导作用，同时此法可推广到三维有限元建模过程中。
　　(3)建立隧道模型与无隧道情况进行对比，得到隧道邻近高层建筑结构的轴力、剪力、弯矩、应力及位移变化，得出岩土体中含有隧道对上部建筑的影响。分析说明当岩土体中含有隧道对上部高层建筑的沉降及内力的影响变化不一，剪力、弯矩及应力是变大的，但轴力值较小与无隧道情况，位移的变化和结构内力的变化趋势是一样的;但在垂直于隧道方向，结构的位移变化更大，达到17％，在工程设计中需要严加控制。
　　(4)建立四种不同埋深下的隧道—框架简体结构模型进行研究，分别对各种条件下的模型进行动力响应分析，得到位移、加速度及轴力时程曲线图。分析表明该工程条件下，隧道上部建筑结构对地震的动力响应最值增长超过20％。分别比较不同埋深下的变化情况，得到一定变化规律:在隧道埋深0～15m时，上部结构对地震的动力响应是逐渐增大的，15～20m时，动力响应在达到最大值后逐渐减小。对穿越围岩中邻近大型建筑物以及构筑物不同埋深的地铁隧道的施工安全及经济具有较好的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 高层建筑及隧道发展现状

1．2．1 高层建筑的发展现状

1．2．2 地下隧道工程的发展现状

1．2．3 隧道与高层建筑的空间关系研究现状

1．3 本文构思及研究内容

第二章 荷载作用下高层建筑的动力响应分析

2．1 荷载作用下高层建筑的受力分析

2．1．1 高层建筑的荷载传递及变形

2．1．2 高层建筑的受力特点

2．2 建筑场地的工程性质

2．2．1场地隧道围岩的破坏

2．2．2 隧道围岩类别分级方法

2．2．3 场地的隧道埋深

2．3 隧道邻近建筑物的安全影响

2．4 本章小结

第三章 地震作用下隧道上高层建筑的模拟分析

3．1 高层建筑的分析方法及分析模型

3．2 地震对高层建筑的动力响应分析模拟

3．2．1 时程分析方法

3．2．2 ANSYS有限元分析基本原理

3．3 工程概况

3．4 模型建立

3．4．1 基本假定

3．4．2 有限元模型尺寸和边界约束条件的确定

3．5 单元参数的选择及模型

3．6 本章小结

第四章 隧道对地面高层建筑的受力及变形影响

4．1 隧道对地面高层建筑的受力影响

4．2 隧道对地面高层建筑的位移影响

4．3 本章小结

第五章 地震对隧道上高层建筑的动力影响分析

5．1 采用地震及模拟工况介绍

5．2 隧道埋深模拟分析

5．2．1 结构响应位移峰值分析

5．2．2 结构节点响应时程反应分析

5．3 地基基础和结构刚度影响因素分析

5．3．1 地基基础承载力

5．3．2 建筑刚度的影响

5．4 隧道埋深考虑安全与经济的优化布局

5．4．1 隧道埋深的安全度分析

5．4．2 隧道埋深与投资费用的关系

5．4．3 高层建筑邻近隧道的合理埋深

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及参加的科研项目