基于多屈服面动本构模型的地铁结构地震响应分析

摘要

近年来，地下结构在能源、交通、城市建设和国防工程等方面获得广泛应用。目前，我国的地下结构主要以地铁为主。由于我国大部分地区为地震设防区，地铁结构的抗震设计具有重要的理论意义和实用价值，日益成为工程设计人员关心的重要问题。 本文主要进行了地铁结构地震反应的数值分析研究。针对单屈服面本构模型不适合于土的动力分析和计算，而现有通用有限元程序多采用该种本构模型(如DP模型)的现状，基于徐干成等人提出的饱和砂土套叠屈服面弹塑性动本构模型编制动力非线性有限元程序SPDAP对地铁结构进行地震响应分析。该程序有较好的通用性，能够通过数据交换，利用大型通用有限元程序ANSYS进行前后处理。 本文以天津地铁二号线某区间段为例，分别采用自编有限元程序SPDAP及通用有限元程序ANSYS对该单洞口地铁隧道的地震反应进行了非线性时域分析。将基于两种本构模型理论的计算结果进行了对比分析，显示了多屈服面本构模型在地铁结构动力分析中的优越性，并为实际工程的计算和设计提供一定的参考和依据。

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第一章绪论

1.1问题的提出

1.2土体动力本构模型发展概述

1.3本文研究的主要内容

第二章饱和砂土弹塑性动本构模型

2.1屈服准则

2.2塑性流动法则及其硬化定律

2.3平面应变问题的弹塑性应力应变增量方程

2.4屈服面在偏应力空间中的平移和胀缩规则

2.5模型参数的确定

2.6内时孔压模型

第三章非线性动力有限元分析基本理论

3.1四结点等参单元

3.2动力平衡方程的时程积分方法

3.2.1动力平衡方程的建立

3.2.2质量矩阵

3.2.3阻尼矩阵

3.2.4 Newmark法

3.2.5非线性增量型动力方程的求解

3.3边界条件的处理

第四章动力有限元程序设计

4.1程序语言MATLAB简介

4.2有限元程序主框架设计

4.3主要子程序流程说明

4.3.1输入信息(子程序input)

4.3.2子程序M_main

4.3.3子程序SKccal和SKscal

4.3.4子程序U_cal

4.3.5子程序strain_strs

4.3.6子程序UtoHm

4.4程序所能实现的功能

第五章工程实例地震反应分析

5.1工程概况与有限元模型的建立

5.2地震波的选择

5.3模型的计算分析

5.3.1土体本构模型初始参数的确定

5.3.2体系动力响应时程曲线分析

5.3.3特定时刻体系动力响应分析

5.4多屈服面模型与单屈服面模型的对比分析

第六章结论与展望

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