考虑土与结构相互作用的天津站交通枢纽工程地震反应分析

摘要

随着城市各类轨道交通的发展,作为各类交通连接和换乘的车站结构(交通枢纽)迅速兴建与发展起来。天津站交通枢纽工程作为北京奥运的配套项目,天津市“十一五”规划重点工程,需要对工程结构的各方面进行深入研究。作为生命线工程的重要组成部分,交通枢纽抗震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要课题。为此本文针对天津站交通枢纽工程,主要做了以下几方面工作:
　　 (1)对天津站交通枢纽地下及地上车站结构进行合理的简化,地下结构楼板在其自身平面简化为刚度无穷大的平板,地上结构简化为梁柱体系,楼板通过质量和刚度折算简化为梁系:确定结构及土体的弹塑性本构模型和合理的单元模型；实现了二维和三维粘弹性人工边界在ANSYS程序中的应用；建立了合理的考虑土与结构相互作用的动力分析有限元模型并确定了非线性动力方程的求解方法。
　　 (2)将桩土区域简化为桩土复合体模型,以减小单元数目,降低计算量。建立桩土单元体有限元模型模拟小尺寸试验构件的破坏行为,从而得到复合体模型的各项弹性常数以及本构关系。由于地震作用下桩土区域主要承受水平力作用,因此选择模拟出的剪应力-剪应变本构关系近似作为整个复合体模型的材料本构关系。
　　 (3)选择交通枢纽结构的典型截面,建立考虑土与结构相互作用的二维模型,计算车站结构在不同幅值三条地震波作用下的位移及内力反应,并与不考虑土与结构相互作用的模型计算结果进行比较。发现考虑桩土效应后,整个体系的自振频率减小,自振周期相应增大,即整个体系的柔性增加。并且地下车站结构周围的土在地震作用下易进入塑性,从而影响整个结构的位移以及内力反应。
　　 (4)建立交通枢纽工程的三维动力分析模型,计算了结构在不同幅值三条地震波作用下的地震反应规律。得到在天津波作用下天津站交通枢纽结构的地震反应最大,Taft波次之,人工波的地震反应最小；地下地上车站结构的位移反应均小于规范中的限值,整体交通枢纽工程抗震性能良好。地上结构的加速度和位移反应明显大于地下结构,尤其是城际车站二层由于层高较高,加速度和位移反应最大。地下结构一层柱顶端和三层柱底端内力反应较大,这些结构中相对薄弱的环节,应该引起重视。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 地下工程结构震害及地震反应计算方法的发展及研究现状

1.2.1 地下结构震害特征

1.2.2 地下结构抗震与地上结构的区别

1.3 土-结构相互作用的研究的现状

1.3.1 土-结构相互作用研究的发展过程

1.3.2 土-结构相互作用研究方法

1.4 天津站交通枢纽工程概况及工程地质概况

1.4.1 交通枢纽工程概况

1.4.2 工程地质概况

1.5 本文的主要研究内容

第二章 天津站交通枢纽计算模型的研究及地震反应分析方法

2.1 弹塑性理论

2.1.1 屈服准则

2.1.2 强化准则

2.1.3 流动准则

2.1.4 本构方程

2.2 土体和结构的弹塑性本构模型

2.2.1 土体的弹塑性本构模型

2.2.2 结构的弹塑性本构模型

2.3 土体和结构单元的选择

2.3.1 土体单元的选择

2.3.2 结构单元的选择

2.4 钢管混凝土柱的简化

2.5 场地土边界的模拟

2.5.1 二维粘弹性动力人工边界

2.5.2 三维粘弹性动力人工边界

2.5.3 粘弹性人工边界的有限元实现方法

2.6 土与结构相互作用动力分析方法

2.6.1 模态分析方法

2.6.2 动力分析中阻尼的确定

2.6.3 时程分析方法

2.7 地震波的选择和调整

2.7.1 地震波的选择

2.7.2 地震波的调整

第三章 桩土区域等效复合体模型研究

3.1 桩土复合体本构关系的确定

3.1.1 桩土单元体的选取和有限元模型的建立

3.1.2 桩土等效复合体模型本构关系的计算

3.1.3 桩土等效复合体模型弹性常数的确定

3.2 复合材料力学方法计算弹性常数

3.2.1 复合体材料模型的建立

3.2.2 等效弹性常数计算公式推导

3.2.3 等效弹性常数计算结果

3.2.4 复合材料力学计算弹性常数与有限元方法计算结果比较

3.3 桩土复合体本构模型的应用方法

第四章 天津站交通枢纽典型截面地震反应分析

4.1 有限元计算模型

4.1.1 模型的建立

4.1.2 模型参数以及地震波的选择

4.2 横向框架地震反应分析

4.2.1 地基土地震反应

4.2.2 车站结构位移反应分析

4.2.3 车站结构内力反应分析

4.3 纵向框架地震反应分析

4.3.1 车站结构位移反应分析

4.3.2 车站结构内力反应分析

4.4 与不考虑桩土效应的简化模型对比

4.5 小结

第五章 天津站交通枢纽三维模型地震反应分析

5.1 计算模型

5.1.1 模型的简化及建立

5.1.2 模型参数以及地震波的选择

5.2 交通枢纽结构加速度反应分析

5.2.1 天津波作用下加速度反应分析

5.2.2 Taft波作用下加速度反应分析

5.2.3 人工波作用下加速度反应分析

5.3 交通枢纽结构位移反应分析

5.3.1 天津波作用下位移反应分析

5.3.2 Taft波作用下位移反应分析

5.3.3 人工波作用下位移反应分析

5.4 交通枢纽结构内力反应分析

5.4.1 天津波作用下内力反应分析

5.4.2 Taft波作用下内力反应分析

5.4.3 人工波作用下内力反应分析

5.5 地震波作用下土体应力反应分析

5.6 小结

第六章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢