饱和土中地铁车站的地震响应分析

论文摘要

兴建地铁是解决城市交通堵塞和环境污染问题的最为有效的手段之一,但在地铁设计与建设过程中还有一个重要问题没有解决,这就是地铁车站的抗震问题。值得注意的是许多地下铁道结构所处地区都位于地震频发地带,因此地下铁道结构的抗震设计和抗震安全性能评估是个必须面对的问题。地铁车站是地铁运营过程中的交通枢纽,使用周期长、人员集中,一旦遭到地震破坏,可能造成重大人员伤亡和车站结构的损伤。除了修复工作比地上建筑物困难外,所带来的间接经济损失远大于直接损失,一般也远大于地面结构的经济损失,并且也会给社会生活造成重大影响。这些都迫切要求人们对地下结构的抗震问题有更新的认识,并对地下结构的抗震问题加强研究。本论文在廖振鹏和赵成刚等分别建立的单相介质和流体饱和两相多孔介质动力分析的显式有限元方法的基础上,建立了适用于地铁车站结构—饱和土体耦联系统地震响应分析的模型,并编写了适合于饱和土与地铁车站结构耦联系统的地震动响应分析的程序,数值计算给出了地铁车站结构的平面P波的地震动响应,分析并讨论了地铁车站的埋深、结构厚度、场地土性质、车站结构高跨比、结构类型等因素对地铁车站结构地震动响应放大系数的影响。通过对计算结果的分析和比较,发现:地铁结构的最大位移多发生在顶板和侧墙上,这与阪神地震中的地铁车站破坏位置一致;浅埋地铁车站的埋深对于其抗震性能有很重要的作用;对于浅埋地铁车站结构来讲,在厚度较小的范围内,增加结构厚度会使地铁车站的地震响应位移峰值随之增大;地铁车站的结构形式对于其抗震性能也是非常重要的,在相同的跨度和相同的高度情况下,增加结构跨数能明显的提高抗震性能。上述研究成果对建立和完善的软土层中地铁车站抗震设计方法具有参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 论文的工程背景
• 1.2 发展现状
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本论文的研究目标及方法
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究方法
• 2 波的有限元模拟
• 2.1 常用数值方法简介
• 2.1.1 边界元法
• 2.1.2 有限元法
• 2.1.3 有限差分法
• 2.2 人工边界
• 2.3 多次透射人工边界的理论
• 2.3.1 多次透射人工边界
• 2.3.2 人工边界的稳定问题
• 2.4 模拟波动的有限元模型
• 2.5 结点运动方程求解的时域数值积分方法
• 3 地铁车站结构─土体耦联系统地震响应分析的显式有限元方法
• 3.1 流体饱和两相多孔介质动力分析的有限元模拟
• 3.1.1 Biot波动方程
• 3.1.2 有限元列式的建立
• 3.1.3 建立内部节点动力反应表达式
• 3.1.4 不考虑能量耗散的动力反应分析的显式表达式
• 3.2 弹性固体介质动力分析的显式有限元模拟
• 3.2.1 弹性固体介质的波动方程
• 3.2.2 建立有限元列式
• 3.2.3 推导内部节点动力的反应表达式
• 3.3 地铁车站结构─土体耦联系统地震响应分析的显式有限元方法
• 3.3.1 流体饱和两相多孔介质和弹性固体介质交界面的连续条件
• 3.3.2 建立流体饱和两相多孔介质和弹性固体介质交界面节点位移反应的显式表达式
• 3.3.3 建立流体饱和两相多孔介质和弹性固体介质交界面节点速度反应的显式表达式
• 4 地震动输入方法、计算步骤及算例分析
• 4.1 波场输入及计算步骤
• 4.2 算例分析
• 5 不同条件下地铁车站地震响应分析
• 5.1 模型选取
• 5.1.1 材料参数
• 5.1.2 计算区域及网格划分
• 5.1.3 选取地震波输入
• 5.1.4 基本计算模型的分析
• 5.2 地铁车站埋深对地铁车站结构地震动响应的影响
• 5.3 土体材料性质对地铁车站结构地震动响应的影响
• 5.4 地铁车站高跨比对地铁车站结构地震动响应的影响
• 5.5 车站结构类型对地铁车站结构地震动响应的影响
• 5.6 车站结构厚度对地铁车站结构地震动响应的影响
• 5.7 不同场地土的地震动响应分析
• 6 结论、存在的问题与展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题及以后开展工作的方向
• 6.3 展望
• 参考文献