三维有限元分析方法评估隧道开挖对建筑结构的影响

摘要

随着城市的快速发展，在建设地下轨道方面，隧道开挖所引起的地表沉降对周边结构的影响的评估成为很关键的一个分支。本文的目的主要是通过使用三维有限元方法，评估盾构隧道开挖对地表沉降以及地表运动所带来的地面建筑结构变形的影响。
　　为了达到这一目的，在理论方面，主要根据英国教授Potts和Zdravkovic提出的有限元分析方法;在研究对象方面，针对无建筑情况和地表建有混凝土框架结构建筑的情况分别进行考虑;在软件应用方面，主要采用ABAQUS/CAE对上述两种研究对象情况分别进行三维有限元模拟分析。首先，基于本论文的工程背景选取适合的参数与几何尺寸，建立三维有限元模型;之后，以无建筑存在条件和有建筑存在条件这两种情况为研究对象进行软件模拟分析并考虑不同的参数，包括隧道衬砌刚度的大小、地表建筑结构刚度的大小、建筑偏心距与宽度之比e/B，并与现场测量数据和相关设计曲线进行比较。通过分析和比较可知，无建筑条件下，随着开挖深度的增加，地表在横断面和纵断面处的沉降逐渐增大，且衬砌刚度越小，地表沉降值越大;有建筑条件下，当偏心距e=0、不同楼层建筑时，建筑的结构刚度越大（即楼层越高），其对松弛区和拱区的建筑位移约束越强，当楼层不变、e/B不同时，e/B越大，松弛区建筑的位移越小，而拱区建筑的位移越大。
　　本文的创新点在于:
　　1、本文采用“相对刚度法”来等效模拟实际的建筑结构，这样做的优点在于采用三维壳单元来等效替代建筑，通过输入不同的参数来等效替代不同楼层，节省了大量的时间和计算存储空间;
　　2、在参数分析中，本文将建筑偏心距与建筑宽度整合为一个参数e/B来考虑;
　　3、本文以相对抗弯刚度ρ*和修正因子M为两个比较指标，将各参数进行归一化考虑，并将其计算结果与设计曲线进行比较，以评估地表建筑的安全性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 背景介绍

1．2 本文研究内容与方法

1．3 本文布局

2 隧道开挖引起的地面运动和建筑变形研究综述

2．1 引言

2．2 在无建筑结构存在情况下的地面运动

2．2．1 横断面行为

2．2．2 纵断面行为

2．2．3 体积损失

2．2．4 沉降槽宽度

2．3 隧道开挖与地表建筑物的相互作用

2．3．1 隧道开挖引起建筑物的变形

2．3．2 建筑物反作用于地层

2．3．3 隧道开挖引起的建筑物损坏形式

2．3．4 建筑物风险评估

2．4 有限元数值模拟

2．4．1 隧道开挖对地表变形的影响

2．4．2 隧道开挖对地表建筑结构的影响

2．5 结论

3 有限元方法简介

3．1 引言

3．2 理论分析

3．2．1 力的平衡条件

3．2．2 变形协调条件

3．2．3 本构行为

3．2．4 边界条件

3．3 线性材料的有限元公式

3．3．1 单元离散化

3．3．2 近似位移

3．3．3 局部有限元方程

3．3．4 整体有限元方程

3．3．5 边界条件

3．3．6 方程解

3．4 对于非线性材料的有限元分析法

3．5 岩土工程方面的考虑

3．5．1 孔隙水压力

3．5．2 隧道开挖

3．5．3 隧道施工

3．6 土体本构模型

3．6．1 屈服前模型

3．6．2 屈服模型

4 隧道-土-结构的相互作用

4．1 引言

4．2 有限元建模

4．2．1 几何尺寸

4．2．2 初始应力条件

4．2．3 土层模型

4．2．4 隧道开挖与施工

4．2．5 建筑模型

4．2．6 接触与单元设置

4．3 结论

5 无建筑条件下地表沉降计算

5．1 引言

5．2 工程背景

5．3 监测依据

5．4 有限元分析效果图

5．5 横断面沉降参数分析

5．6 纵断面沉降参数研究

5．7 监测数据对比

5．8 结论

6 隧道开挖对建筑变形影响的结果分析

6．1 引言

6．2 三维有限元分析模型

6．3 参数分析

6．3．1 建筑结构刚度

6．3．2 偏心距与宽度之比e／B

6．3．3 结果对比

6．4 结论

7 结论与建议

7．1 引言

7．2 无建筑条件下的三维有限元分析

7．3 隧道开挖对建筑结构的影响

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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