地铁车站结构—土体动力相互作用有限元分析

摘要

地铁工程是解决现代城市交通问题的重要手段,是生命线工程的重要组成部分,随着地下结构数量的增加和震害的频繁出现,地铁地下结构抗震问题日益受到各国地震工作者的重视。但是我国在地铁地下结构抗震方面的研究相对滞后,至今还没有完善的地下结构抗震分析方法,也没有独立的地下结构抗震设计规范。因此研究地铁地下结构抗震问题具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文以某地铁车站为研究对象,依据 ANSYS有限元软件,在考虑人工边界、地基取值范围的基础上,建立二维有限元模型,对地铁车站的地震动响应和影响进行了分析,论文的主要工作如下:
　　1)基于 VB和FORTRAN语言编写了地震波数据处理软件,它能够合成人工地震波,并对位移产生的飘移进行修正和对强震记录进行调整,同时也能够进行反应谱和傅立叶幅值谱计算,并能够输出图像和数据。
　　2)对地基范围的取值进行分析,结果表明,在本文的场地条件下,当地基范围取为四倍结构底宽时,不仅可以节约大量储存空间和运算时间而且有较好的精度。
　　3)选取适合场地条件的3组地震波,对地铁车站有限元模型进行地震动响应分析。结果表明,地铁车站结构的侧墙和底板及其结合部位是受力最不利位置,结构构件的交叉处往往是产生较大的内力值的部位,抗震设计时应谨慎考虑。
　　4)侧墙处的动土压力都是两边偏大,而中间偏小。随着埋深的增加,不同地震动响应的动土压力值相差较小,趋于一致。水平向地震波对侧墙处动土压力的影响起主导作用,侧墙与顶板连接处易出现动土应力集中的现象。
　　5)同水平向输入地震动相比,竖直向地震动对结构构件的弯矩、剪力影响不大,对结构构件的轴力有一定的影响,尤其是对中柱的轴力影响较大。
　　6)在只考虑水平向地震动输入的情况下,时程分析的结果普遍比反应谱的计算结果稍小,反应谱的计算结果还是偏于安全的;但是在考虑竖向地震动和水平向地震动同时输入的时候,反应谱的计算结果是偏于保守的。
　　7)研究地铁车站结构对周围场地设计地震动的影响。结果表明,在中震和大震时地铁车站结构的存在对其距离地表中心点约50m以内的已有建筑物的抗震性能会有不利影响,可能会使地上结构产生附加的地震反应,对于较远处的地表加速度峰值反应影响不大。

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引 言

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 地铁地下结构震害机理分析

1.3 地铁地下结构抗震性能研究综述

1.4 本文主要研究内容

2 地铁车站结构-土体动力相互作用有限元分析基本理论

2.1 动力学分析的有限元方法

2.2 阻尼

2.3 土与结构本构关系

2.4 有限元模拟的人工边界研究

2.5 土与结构有限元模拟

2.6 本章小结

3 地震波数据处理及程序的编制

3.1 软件编制的理论基础

3.2 地震波数据处理软件编制及说明

3.3 本章小结

4 地铁车站结构-土体动力相互作用反应谱分析

4.1 工程概况及有限元模型

4.2 模态分析

4.3 振型分解反应谱分析

4.4 本章小结

5 地铁车站结构-土体动力相互作用时程分析

5.1 地震波的选用

5.2 水平地震作用下地铁车站结构时程分析

5.3 水平和竖向地震同时作用下地铁车站结构时程分析

5.4 土-结构接触面动土压力分析

5.5 时程分析同谱分析的结果比较研究

5.6 本章小结

6 地铁车站结构-土体动力相互作用影响因素分析

6.1 结构高跨比对地铁车站结构地震动响应的影响

6.2 车站结构形式对地铁车站结构地震动响应的影响

6.3 土与结构刚度对地铁车站结构地震动响应的影响

6.4 地铁车站结构对周围场地设计地震动的影响

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文的主要工作和成果

7.2 研究展望

参考文献

后 记

附录：