饱和两相与单相土互层场地中地铁车站地震反应分析

论文摘要

随着城市建设的不断发展,地下空间的利用越来越重要。地铁车站作为生命线工程的一个重要组成部分,其抗灾害能力尤为重要。自阪神地震以来,地下结构的抗震问题受到广泛关注,很多学者都致力于这一方面的研究,取得很大进展。当土的饱和度小于90%,孔隙中的水不能自由流动;饱和度在90%～95%的土称为基本饱和土;饱和度大于95%的土称为饱和土。当弹性波在土中传播时,对于饱和土和基本饱和土,孔隙水与土骨架之间存在动力相互作用,可用Biot动力学理论描述,将这类土假设为两相饱和多孔介质;但对于饱和度小于90%的土,孔隙水与土骨架之间的相互作用可以忽略,将这类土假设为单相固体介质,用弹性动力学理论描述。本文将饱和土、基本饱和土统称为饱和两相土;对于饱和度小于90%的土,称为单相土。本文主要完成了以下工作:1.提出饱和多孔介质的粘弹性人工边界以外行的柱面波为研究对象,分析人工边界应力,得到应力的表达式,固相介质在人工边界的法向应力与其在边界处的位移和速度分别成线性关系,固相介质在边界的切向应力也与其切向位移和速度成线性关系;本文假设孔隙流体无粘性,不承受剪力,在人工边界的法向存在正应力,它与流体的法向速度成正比。因此,对固相介质,可以在人工边界的法向、切向设置连续分布的弹簧和粘滞阻尼器;对孔隙流体,在人工边界的法向设置连续分布的粘滞阻尼器,对其影响进行模拟。地震波输入可以通过在人工边界上施加等效荷载来实现。2.提出互层场地自由波场计算的两种方法,一是,傅立叶变换的方法,先在频域内根据相邻两层介质在交界面的连续性条件和自由表面的应力边界条件,得到关于波幅矢量的线性方程组,求解方程组后,就得到各层介质的波场,再经傅立叶反变换得到时域的波场解;二是,一维化时域显式有限元法,根据平面行波的传播特点,取一列节点,采用中心差分法和集中质量有限元法,得到每一节点的运动方程,进而得到一列节点的平衡方程形成的线性方程组,求解方程组后,根据行波传播特点,得到整个波场的位移和速度矢量。3.采用自编的不等时间步长显式有限元计算程序,对一单层双孔的地铁车站进行地震反应分析,得到互层场地中地下结构地震反应的基本规律。随着车站结构周围土层剪切波速的增加,不论是单相土还是两相土,剪切系数均增大;对于两相土,侧墙峰值弯矩随土层剪切波速的增大而减小,但对于单相土,侧墙峰值弯矩随土层剪切波速的增大而增大。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 地铁车站震害
• 1.2.1 神户大开车站的震害
• 1.2.2 震害原因分析
• 1.3 地下结构抗震分析方法
• 1.3.1 解析法或拟静力法
• 1.3.2 动力数值方法
• 1.4 目前国内地下结构抗震分析研究现状及存在的问题
• 1.5 本文研究目标、方法和内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究方法
• 1.5.3 研究内容
• 第2章 显式有限元动力数值方法
• 2.1 单相固体介质动力显式有限元法
• 2.1.1 节点运动方程的推导
• 2.1.2 时步积分格式
• 2.2 两相饱和多孔介质显式有限元法
• 2.2.1 两相饱和多孔介质波动方程及本构关系
• 2.2.2 Biot方程的适用范围
• 2.2.3 显式有限元方程的建立
• 2.3 饱和多孔介质与单相固体介质交界面节点的动力反应
• 2.3.1 交界面的边界条件
• 2.3.2 交界面上节点动力反应的显式
• 2.4 本章小结
• 第3章 两相饱和多孔介质黏弹性动力人工边界
• 3.1 柱面波近似解
• 3.2 二维粘弹性人工边界的推导
• 3.2.1 流体饱和多孔介质柱面波波动方程及本构关系
• 3.2.2 人工边界应力条件的推导
• 3.3 地震波散射问题人工边界上波动输入的实现
• 3.4 数值计算
• 3.4.1 内源问题
• 3.4.2 外源问题
• 3.5 本章小结
• 第4章 不同介质互层弹性半空间自由波场的输入
• 4.1 互层弹性半空间波场计算的Fourier变换法
• 4.1.1 波动方程及本构关系
• 4.1.2 频域应力、位移场
• 4.1.3 单一土层的频域波场
• 4.1.4 交界面连续性条件
• 4.1.5 相邻两层交界面连续性条件及波幅矢间的关系
• 4.1.6 半空间频域波场计算
• 4.1.7 算例
• 4.2 互层半空间二维自由波场一维化时域显式有限元法
• 4.2.1 斜入射下平面P波和SV波的传播特点
• 4.2.2 计算区域的网格划分和一维化方法的建立
• 4.2.3 人工边界和波动输入
• 4.2.4 斜入射时自由波场的计算
• 4.2.5 垂直入射时自由波场的计算
• 4.2.6 算例
• 4.3 自由场应力计算的显式有限元法
• 4.3.1 计算方法
• 4.3.2 算例
• 4.4 本章小结
• 第5章 地铁车站结构地震反应有限元分析
• 5.1 有限元数值模拟中的关键问题及实现
• 5.1.1 人工边界
• 5.1.2 不等时间步长显式积分
• 5.1.3 地铁车站动力响应分析的计算程序流程图
• 5.2 地铁车站结构动力反应时程分析
• 5.2.1 地铁车站横截面尺寸及材料参数
• 5.2.2 地震波动的输入及计算模型
• 5.3 各工况下的计算分析
• 5.3.1 饱和两相土位于地表时车站结构的地震反应
• 5.3.2 饱和土层位于基岩顶面时车站结构的地震反应
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要研究内容和成果
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 简历
• 学位论文数据集