既有地铁车站受新建隧道穿越影响的抗震动力学行为研究

摘要

随着经济和科学技术的发展，隧道及地下工程的发展十分迅速，作为生命线工程，研究其在地震作用下的动力反应问题具有重大的经济意义和社会意义。本文以土一结构动力相互作用为核心理论，以动力有限元方法为分析手段，对地铁隧道和地铁车站的抗震问题进行了初步的研究。文中首先对盾构隧道抗震的相关研究方法与背景、研究内容、研究现状和发展趋势做了较为全面的概括和阐述。本文还初步分析了三维动力有限元计算理论、土与结构相互作用的数值模型以及运动方程的求解过程，在对相关文献进行归纳和总结的基础上，对各土体动力本构模型的优缺点和适用范围进行了评述，另外还从接触面单元和接触面本构关系两方面对接触面模型进行了介绍和评述。本文还对以下几个与地下结构抗震相关的基本问题进行了理论分析并以算例进行了验证：①地震波的选取原则与调整(包括滤波、调幅与基线校正)；②基于波的无反射原理，进行了软件的二次开发，在软件中实现了精度较高的粘-弹人工边界和粘性边界，并进行了边界条件的计算精度对比；③编程实现了粘-弹人工边界上的地震波输入，并以简谐波动的输入为例进行了验证；④针对不同的边界条件，分别采用振动方法和波动方法进行了在地震荷载作用下隧道结构的动力反应分析，分析了无限地基对计算结果的影响。本文还以平面应变假定对三维非线性动力问题进行了简化，建立了平行双洞口盾构隧道的地震反应分析模型，分析了双洞净距对衬砌受力与变形的影响，得出了一些有益的结论。在上述研究的基础上，建立了三维有限元模型，对五棵松地铁车站受到新建南水北调输水隧道下穿在空间上对原地铁车站抗震性能的影响进行了分析。对比了埃尔森特波和阪神波两条地震波的计算结果，得到了一些有益的结论，一方面验证了前述理论的正确性，另一方面也为可为实际的工程设计和施工提供一定的参考和依据。

目录

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第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究发展概况

1.3地下结构抗震分析方法

1.4地下结构破坏类型及影响因素

1.5本文主要研究内容

第二章 有限元动力分析基本理论

2.1引言

2.2有限单元法理论基础

2.2.1基本概念

2.2.2用有限元法解决问题的一般步骤

2.3土-结构体系的动力相互作用

2.3.1基本概念

2.3.2土-结构相互作用时域数值模型

2.3.3土-结构相互作用体系运动方程

2.3.4系统动力响应求解

2.4非线性理论

2.4.1土体材料非线性

2.4.2接触非线性

2.5有限元分析软件ANSYS简介

第三章 地下结构抗震分析若干问题研究

3.1地基截取范围

3.1.1基本原则

3.1.2模型的建立及其在ANSYS中的实现

3.1.3算例分析

3.1.4结论及建议

3.2动力相互作用时域分析中输入地震波的选择和调整

3.2.1地震波的选择

3.2.2快速傅里叶变换和滤波

3.3人工边界

3.3.1截断边界

3.3.2粘性边界

3.3.3粘-弹性人工边界

3.3.4算例分析

3.4波动激励的输入方法

3.4.1理论推导

3.4.2算例分析

第四章 双洞口地铁隧道地震反应分析

4.1引言

4.2计算模型及土体参数

4.3模型在ANSYS中的建立

4.4工况分组

4.5结果分析

第五章 南水北调隧道下穿地铁五棵松站案例分析

5.1基本资料

5.1.1工程概况

5.1.2地质资料

5.2有限元模型的建立

5.2.1模型离散化

5.2.2材料参数的选取

5.2.3地震波选取及调整

5.2.4模态分析与阻尼系数的确定

5.3计算结果分析

5.3.1车站结构变形分析

5.3.2内力及位移峰值分析

5.3.3车站结构动力时程结果分析

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致 谢

参考文献