地铁车站与区间隧道过渡段的抗震设计分析

摘要

随着我国经济的高速发展，我国已经进入了地铁工程建设的黄金时代，然而到目前为止还没有独立的地下结构抗震设计规范，相比日本和美国等发达国家，我国在地下结构抗震领域的系统研究尚不够成熟。加上近年来我国已进入地震频发期，在这种大背景下，如何保证在地震作用下地铁结构的安全成了我们迫切需要研究的课题。研究软土地基城市地铁车站与区间隧道过渡段的抗震设计规范具有重要的意义，本文对地铁地下特定部位结构的动力响应进行时程分析，本文的主要内容包括：
　　 (1)介绍国内外关于地铁抗震的分析方法以及各种方法的使用范围；
　　 (2)通过对土-地下结构体系的动力相互作用数值解法的剖析，提出解决地下结构抗震分析的理论依据；
　　 (3)利用有限元软件MIDAS建立地铁车站与区间隧道过渡段的三维数值模型，人工边界采用粘性边界；
　　 (4)以1995年日本HYOUGOKEN_South的加速度时程记录为地震输入波，我们分别考虑三种情况，分别是地铁车站与区间隧道的剪切刚度之比在k1=0.8α,k2=α，k3=1.25α（α为截面尺寸影响系数）的时候，在地震荷载下的动力时程响应；
　　 (5)分析三种不同情况下过渡段上不同位置的位移、速度、加速度及应力、应变的时程图，得出地铁车站与区间隧道过渡段的动力响应规律；
　　 (6)刚度的增大能有效增强结构抵抗地层变形的能力，但却会造成应力集中，结构内力和应变增大，对局部受力不利。因此需要改变仅通过增强结构刚度或者强度来提高地下结构的抗震性能的传统观点。在进行地铁车站结构的抗震设计的时候，可以考虑适当增加结构的韧性，这样地下结构在地震中就会具有一定变形能力，以此承受地震引起周围土层介质变形产生的应力，而不是盲目地使结构直接抵抗地层的变形；
　　 (7)在考虑过渡段结构的抗震问题时，应首先满足结构本身的设计强度和刚度，然后再考虑尽量减小过渡段的刚度变化，即k值尽量的小，以避免造成过渡段的应力集中和应力过大。
　　 本文对进一步研究软土地基上城市地下结构对地震作用的响应具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 引言

1.1 研究背景

1.2 地铁的震害实例及震害发生的原因

1.2.1 地铁车站的震害

1.2.2 地铁区间隧道的震害

1.2.3 地铁震害的原因

1.3 地下结构的震害特征

1.3.1 地铁车站震害特征

1.3.2 区间隧道震害特征

1.3.3 盾构隧道震害特征

2 研究现状分析及本文主要研究内容

2.1 地下结构抗震分析方法的分类

2.2 土的动力模型

2.3 土-地下结构体系动力响应的理论

2.3.1 波动法

2.3.2 相互作用法

2.4 动力响应的边界条件

2.5 土-结构的接触面模拟

2.6 本文的研究目的

2.7 本文的研究内容

3 地震作用下土的特性分析以及土-结构体系的相互作用

3.1 引言

3.2 土的动力本构模型

3.3 地震作用下土层的动力响应计算

3.3.1 土层动力计算方法简述

3.3.2 Biot动力固结方程

3.4 土-结构体系的动力分析

3.4.1 基本假设

3.4.2 土-地下结构体系动力分析的基本方程

4 地震荷载下土-地下结构体系动力模型

4.1 引言

4.2 模型概况

4.3 模型模拟区间及材料特性参数

4.4 人工边界的处理

4.4.1 粘性动力人工边界[93]

4.4.2 粘弹性动力人工边界[94]

4.4.3 粘性人工边界的有限元实现

4.5 地震波的选择输入

4.6 有限元软件MIDAS简介

4.6.1 分析方法的选取

4.6.2 结构质量矩阵和阻尼矩阵

4.6.3 数值分析方法

5 地铁车站与区间隧道过渡段动力响应数值模拟分析

5.1 动力分析步骤

5.2 结构截面剪切刚度

5.3 过渡段监测点布置

5.4 过渡段的计算结果分析

5.4.1 地铁车站结构模型的动力响应分析

5.4.2 区间隧道结构模型的动力响应分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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