可变形离散元法及其在地下工程中的应用

论文题目: 可变形离散元法及其在地下工程中的应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 鲍鹏

导师: 姜忻良

关键词: 天津地铁,离散元法,可变形体,地下结构,地震反应,无限元,非线性,耦合法,土地下结构动力相互作用

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大,地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。本文结合天津地铁1号线工程,针对地铁区间隧道结构和地铁车站结构的抗震问题,提出了基于可变形体模型的离散元法和相应的人工粘滞边界以及与无限元耦合的方法。对地铁区间隧道结构在人工地震波作用下的动力反应进行了分析计算,为地铁区间隧道结构设计及抗震设防提供依据;对天津地铁1号线土城车站结构进行了动力分析计算。得出了地铁车站框架结构在不同地震波作用下的地震反应。本文利用可变形体模型的离散元方法,分析了刚性桩复合地基桩土共同作用的承载机理。本文的主要工作如下:1.基于变形体动力学原理,建立了新的可变形块体单元模型。根据离散元法原理,采用边-边接触关系及动态松弛法,推导出其理论公式并编制了计算程序。通过选取适当的计算参数对典型算例进行分析计算,得到了静力平面问题的应力、位移分布及静态解的收敛过程,验证了计算程序和计算参数选取的正确性。证明了该方法用于岩土工程静力计算的可行性。2.利用可变形体单元模型的离散元法,针对地铁区间隧道结构的震害特点,求出了地下结构在人工地震波作用下的动力反应,为地铁区间隧道结构设计及抗震设防提供依据。3.推导出无限元相应的理论公式并实现在边界上与离散元的耦合。采用近场土体由离散元模拟,远场土体由无限元模拟,进行土-地下结构相互作用分析。由静力问题的收敛性,验证了计算程序和计算参数选取的正确性,给出了地下结构在地震波作用下的位移反应。4.依据可变形体模型的离散元方法,对刚性桩复合地基的竖向承载能力以及桩土共同作用过程中桩、土承担荷载比例的变化规律进行了计算分析,揭示了刚性桩复合地基桩土共同作用的承载机理。5.针对天津地铁1号线土城车站实际工程,使用可变形离散元法对地下结构-土动力相互作用系统进行了分析计算。得出了地铁车站框架结构在天津波、人工波(中震)及人工波(小震)作用下的地震反应(动内力、动位移)。分析了地震反应可能对地铁车站造成的破坏,对地铁车站的结构设计提出了指导性意见。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 地震对地下结构的破坏及其震害特点

1.3 地下结构抗震研究概况

1.4 结构动力分析方法和波动数值模拟研究综述

1.5 本文主要研究内容

第二章 离散单元法基本理论

2.1 离散单元法概述

2.1.1 离散元方法的基本思想

2.1.2 离散单元法在国内外的发展状况

2.1.3 离散元方法的基本原理

2.2 离散单元法的基本方程

2.2.1 物理方程——力和位移的关系

2.2.2 运动方程——牛顿第二运动定律

2.3 动态松驰法

2.4 力和位移的计算循环

2.5 弹塑性无拉力边-边接触模型

2.6 计算参数的选择

2.6.1 刚度

2.6.2 时步

2.6.3 阻尼

第三章 可变形离散元法原理及程序编制

3.1 可变形离散元法概述

3.2 可变形体动力学原理

3.2.1 可变形体动力学方程

3.2.2 模态分解

3.3 离散系统分析的广义模态法

3.3.1 单元的变形模态

3.3.2 正交条件

3.3.3 正交于转动的虚剪切模态的导出

3.3.4 改进的方法

3.3.5 模态方程的旋转

3.4 可变形单元模型

3.5 任意单元在一个循环中所经历的计算过程

3.6 计算程序的功能及框图

3.7 计算程序及计算参数的验证

3.8 小结

第四章 离散元与无限元的耦

4.1 无限元原理

4.2 衰减函数的选取与网格形态的影响

4.3 无限元单元模式

4.4 无限元单元的刚度矩阵、质量矩阵的形成

4.5 离散元与无限元的耦合

4.6 小结

第五章 可变形离散元法地下铁道隧道箱体地震反应计算

5.1 地铁区间隧道震害特点

5.2 明挖法地铁区间隧道的结构形式

5.3 离散元法地下结构箱体的地震反应分析

5.3.1 粘滞边界

5.3.2 无限元边界

5.3.3 算例1

5.3.4 算例2

5.4 小结

第六章 可变形离散元法刚性桩复合地基承载机理研究

6.1 概述

6.2 刚性桩复合地基的基本原理及承载特性

6.3 刚性桩复合地基的研究应用状况

6.4 刚性桩复合地基亟待解决的问题

6.5 离散元法刚性桩复合地基承载机理分析

6.5.1 计算模型与参数选择

6.5.2 计算结果与分析

6.6 小结

第七章 可变形离散元法地铁车站抗震性能研究

7.1 概述

7.2 地铁车站结构选型的原则与特点

7.2.1 明挖法施工的车站结构

7.2.2 盖挖法施工的车站结构

7.2.3 暗挖法施工的车站隧道和折返线等大断面隧道

7.2.4 盾构法施工的车站结构

7.3 地铁车站的结构形式

7.3.1 明挖法施工的车站结构形式

7.3.2 盖挖法施工的车站结构形式

7.4 地铁车站结构的荷载内力计算与设计

7.4.1 地铁车站结构静、动力工作特性

7.4.2 作用在地铁车站结构上的荷载

7.5 天津地铁土城车站地震反应分析

7.5.1 工程设计概况

7.5.2 土城车站离散元法动力分析

7.6 小结

第八章 结论与建议

8.1 主要结论

8.2 进一步工作的建议

参考文献

科研与论文

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

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• [3].城市地铁地下结构地震反应的试验研究与数值模拟[D]. 赵冬冬.清华大学2013
• [4].地下结构地震破坏机理研究[D]. 孙海峰.中国地震局工程力学研究所2011
• [5].地下建筑结构实用抗震分析方法研究[D]. 王璐.重庆大学2011
• [6].墙体非稳态传热计算方法适应性及地下结构传热特性分析与研究[D]. 李向前.湖南大学2011
• [7].地下结构可靠性广义特征与应用研究[D]. 李芳成.山东科技大学2003
• [8].基于活动断层的地下结构地震反应分析研究[D]. 夏晨.北京交通大学2016
• [9].大型地下结构泄排水减压抗浮控制研究[D]. 覃亚伟.华中科技大学2013
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相关论文

• [1].土体破坏细观机理及颗粒流数值模拟[D]. 曾远.同济大学2006
• [2].颗粒材料的离散颗粒模型与离散—连续耦合模型及数值方法[D]. 楚锡华.大连理工大学2006
• [3].土工问题的颗粒流数值模拟及应用研究[D]. 罗勇.浙江大学2007
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