地震作用下隧道式复合锚碇动力响应分析

论文摘要

随着大跨度桥梁的建设,悬索桥以自身的优势在实际工程得到了越来越广泛的应用。隧道式复合锚碇体系作为悬索桥的一种新型锚碇结构型式,充分发挥了预应力锚索轴向刚度大的优势,拓宽了传统锚碇的工程应用条件及范围,具有受力更合理、工程造价低、环境破坏小等特点。与此相关,悬索桥正常使用期间锚碇体系的稳定性问题,尤其是地震作用下承载体系的动力响应及其稳定性问题日益突出,目前对此问题尚未有研究。为此,本文对隧道式复合锚碇体系在地震作用下的动力响应特性进行了全面的数值模拟分析,以期为工程抗减震设计及治理措施提供科学可靠的依据。隧道式复合锚碇主要是依靠预应力锚索及锚塞体与岩体的相互作用来平衡悬索桥主缆张性拉力的。由于岩体力学性质受结构弱面(带)的影响显著,复合体系中各子结构的承载作用机理不尽相同等因素,从而导致了地震荷载作用下复合体系及锚址区边坡浅层岩体的动力响应极具复杂性。研究中,在结合地震波在岩体中传播规律、地下结构震害特点及破坏机理、地下结构地震动力分析方法等研究现状的基础上,采用动力时程分析方法,对隧道式复合锚碇体系进行了相关的地震响应分析。(1)基于波动理论,分析了地震波在岩体中传播的规律,给出了地震波传播至岩体结构面时的透反射系数与结构面刚度系数、两侧岩体波阻抗、地震波入射频率等各因素的显式关系,给出了地震波通过软弱夹层时的透反射系数与夹层介质波阻抗、岩体波阻抗及夹层厚度的简单关系。对单一节理、平行节理、结构弱面(带)中地震波的传播采用数值模拟手段进行了分析,讨论了各种影响因素,并结合理论分析方法验证了数值动力时程分析结果的可靠性。(2)对数值动力时程分析过程中的人工边界条件、输入地震动的校正处理、计算区域单元离散、动力分析方法等进行了讨论,分析了坡高、坡角、岩体力学参数及输入地震动特性对边坡的地震响应影响。得出了边坡的地震响应随着坡高与坡角的增大而呈非线性增大关系;自边坡面至坡体内一定深度的岩体在地震动荷载作用下由于自由面效应而出现松动破坏;边坡地震响应的最大值一般位于坡腰处;岩体小断层或软弱结构带为边坡稳定的薄弱部位。(3)复合体系在承载过程中,预应力锚索一般先于锚塞体承载,且在悬索桥正常运营阶段其轴力分布形态及大小基本不变。在锚索自由段附近及锚塞体前端岩体区域内形成了一个压应力增高带,而在锚固段及其下部、锚塞体后端斜向外侧区域出现了一个应力降低区,锚址区岩体在主缆张性荷载作用下产生沿主缆作用力方向斜向上的“倒塞形”位移及趋势。设计主缆荷载作用下,复合体系能满足主缆承载要求。(4)地震过程中,复合锚碇体系的地震响应受控于锚址区岩体的强加变形。在抗震设防地震动作用下,分别对复合体系中预应力锚索、锚塞体、锚室结构及周边岩体等各子结构的地震动力响应进行了分析。并对地震波的不同入射角度、锚碇体系的不同埋深、地震波的不同强度等影响因素进行了分析。(5)分析评价了隧道式复合锚碇体系的安全稳定性,在七度抗震设防要求下,隧道式复合锚碇体系处于稳定状态。地震过程中质点的振动速度是岩体破坏的决定因素之一,相邻介质的约束作用越强,地震动力响应越小,产生的破坏可能性越小;锚址区边坡浅层岩体在地震过程中主要产生朝向坡外的永久性位移,且破坏程度及残余位移大小自坡面向坡体内迅速减小。对于硬岩中的地下结构体系,加固岩层达到的减震效果并不显著,而采用曲墙衬砌、设置仰拱、安设锁脚锚杆、增大衬砌韧性及延性等结构型式及工程材料的改变对结构的抗减震是有利的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.2.1 隧道式锚碇体系应用与研究现状
• 1.2.2 地下结构的震害特点
• 1.2.3 地下结构抗震分析方法
• 1.2.4 岩体结构面对地震波传播的影响
• 1.2.5 边坡及地下工程地震响应研究
• 1.3 需要解决的问题
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 地震波在岩体结构面上的传播特性
• 2.1 无限弹性介质中的波动方程
• 2.2 地震波在岩体结构面上的透射与反射
• 2.2.1 粘结无滑移岩体结构面地震波的透反射特性
• 2.2.2 可滑移岩体结构面地震波的透反射特性
• 2.3 地震波在岩体弱层上的透射与反射
• 2.4 岩体介质中地震波能量的耗散
• 2.5 地震波在岩体中传播的数值分析
• 2.5.1 弹性无限空间地震波传播的数值模拟
• 2.5.2 结构面参数对地震波传播影响的数值模拟
• 2.5.3 软弱夹层对地震波传播影响的数值模拟
• 2.6 小结
• 第三章 动力数值模拟及边坡地震响应分析
• 3.1 动力数值计算方法
• 3.1.1 人工边界条件及地震动输入
• 3.1.2 材料阻尼模型
• 3.1.3 恢复力模型及屈服准则
• 3.1.4 地震波及其传播
• 3.1.5 地震动力分析过程
• 3.2 边坡地震响应影响因素
• 3.2.1 计算模型及参数
• 3.2.2 地震响应影响因素分析
• 3.3 锚址区边坡地震响应分析
• 3.3.1 工程场地概述
• 3.3.2 计算参数及过程
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 小结
• 第四章 隧道式复合锚碇承载特征分析
• 4.1 概述
• 4.2 锚碇体系数值模拟分析
• 4.2.1 数值模型及计算条件
• 4.2.2 材料参数及计算过程
• 4.3 锚碇体系承载特征分析
• 4.3.1 预应力锚索承载特征
• 4.3.2 锚塞体承载特征
• 4.3.3 复合体系承载特征
• 4.4 小结
• 第五章 隧道式复合锚碇地震响应时程分析
• 5.1 分析模型
• 5.1.1 计算模型及条件
• 5.1.2 主缆动张拉力
• 5.2 锚碇体系地震响应分析
• 5.2.1 预应力锚索地震动力响应
• 5.2.2 锚塞体地震动力响应
• 5.2.3 锚室结构地震动力响应
• 5.2.4 锚址区岩体地震动力响应
• 5.3 地震波入射角度的影响
• 5.3.1 入射角对锚索锚固力的影响
• 5.3.2 入射角对锚塞体位移的影响
• 5.3.3 入射角度对锚室衬砌内力的影响
• 5.3.4 入射角度对岩体地震响应的影响
• 5.4 复合体系埋深及间距对地震响应的影响
• 5.5 不同强度输入地震动时的地震响应
• 5.6 小结
• 第六章 锚碇地下结构地震动力响应稳定性评价
• 6.1 预应力锚索动力稳定性
• 6.2 锚址区岩体动力稳定性
• 6.3 锚室结构地震稳定性
• 6.3.1 截面型式的影响
• 6.3.2 注浆加固效应
• 6.3.3 锚杆的力学作用
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 不足及进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果