地震载荷作用下浅埋隧道支护结构的响应特性研究

论文摘要

随着城市建设的快速发展和地下空间的开发,地下结构的抗震性能愈来愈受到关注。对于这些地下建筑物,目前还没有成熟的抗震设计方法,这使得地下结构抗震研究变得日益紧迫和重要。基于此,本文主要做了如下工作:以国内外具有代表性的隧道工程震害事例,对隧道的震害类型和特点以及震害作用机理进行了分析;利用有限元分析软件ANSYS中瞬态动力学分析方法,建立了围岩—衬砌二维简化模型,讨论了隧道在不同埋深、不同衬砌厚度、不同衬砌混凝土级别和不同围岩条件等情况下的隧道衬砌结构的地震反应,找出了浅埋隧道地震反应的一些基本规律;最后分析了连拱隧道在地震作用下的变形和破坏特征。通过以上研究得出了如下结论:(1)埋深增加时结构在地震作用下的位移反应减小,而应力却在增大,这是因为随着隧道埋深的增加,隧道受到的外力也在增加,同时结构的内力值也相应增大。(2)随着隧道衬砌厚度的增加,衬砌的位移减小,但减小的幅度不明显。衬砌厚度增加时,隧道仰拱的受力增加,所以有仰拱的隧道在确定是否要改变衬砌厚度的时候同时应考虑仰拱在其中所起的重要作用。(3)随着隧道衬砌刚度的增大,隧道衬砌的位移有减小趋势,但幅度非常不明显,而隧道衬砌的应力峰值却在增大,可见单纯依靠提高衬砌刚度来抵御隧道在地震荷载作用下的变形并不理想。(4)随着围岩级别的提高,隧道衬砌的位移和应力均减小,且减小幅度较大,这是因为随着围岩级别的提高,围岩承担了大部分外来荷载,结构和围岩的相互作用减小。(5)水平地震作用下,连拱隧道中隔墙的四个角、边墙脚和拱腰等部位是断面上的薄弱点;左、右洞的仰拱,一个主要承受拉应力,另一个主要承受压应力,所以抗震设计时,要同时保证双连拱隧道仰拱的抗拉、抗压性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景及研究的意义
• 1.1.1 选题的背景
• 1.1.2 研究价值和意义
• 1.2 隧道与地下结构抗震研究综述
• 1.2.1 隧道震害实例
• 1.2.2 隧道地震反应的特点
• 1.2.3 隧道及地下结构抗震研究发展概况
• 1.2.4 隧道及地下结构抗震设计的方法
• 1.3 本文的主要研究内容及思路
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 本文拟采取的研究方法
• 1.3.3 本课题预期达到的目标
• 2 浅埋隧道震害研究
• 2.1 震害破坏模式
• 2.2 震害影响因素分析
• 2.2.1 地震参数
• 2.2.2 覆盖层厚度
• 2.2.3 围岩条件
• 2.2.4 地下结构形式
• 2.3 震害破坏机理
• 2.3.1 隧道震害作用机理
• 2.3.2 隧道震害分类
• 2.3.3 隧道震害主要发生的部位
• 2.4 本章小结
• 3 动力有限元简介及隧道计算模型的建立
• 3.1 有限元的基本理论
• 3.1.1 有限单元法的基本思路
• 3.1.2 有限单元法分析过程的基本步骤
• 3.2 动力有限元方法简述
• 3.2.1 运动方程的建立方法
• 3.2.2 单元的运动微分方程
• 3.2.3 动力平衡方程的求解
• 3.3 ANSYS 有限元软件简介
• 3.3.1 计算中的基本假定
• 3.4 有限元模型在ANSYS 上的实现
• 3.4.1 工程概况
• 3.4.2 单元选用
• 3.4.3 计算参数的确定
• 3.4.4 计算范围的选取
• 3.4.5 边界条件的确定
• 3.4.6 阻尼理论及阻尼系数的选取
• 3.4.7 地震波的选取
• 3.4.8 屈服准则
• 3.5 本章小结
• 4 不同因素对隧道地震动力响应的影响
• 4.1 不同埋深对隧道地震反应的影响
• 4.1.1 计算模型的建立
• 4.1.2 计算结果及分析
• 4.2 不同衬砌厚度对隧道地震反应的影响
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 计算结果与分析
• 4.3 不同衬砌混凝土标号对隧道地震反应的影响
• 4.3.1 计算模型的建立
• 4.3.2 计算结果与分析
• 4.4 不同围岩条件对隧道地震反应的影响
• 4.4.1 计算模型的建立
• 4.4.2 计算结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 连拱隧道的地震动力响应分析
• 5.1 双连拱隧道的地震动力响应分析
• 5.1.1 工况及材料参数
• 5.1.2 力学模型
• 5.1.3 单元的选取
• 5.1.4 地震波的选取
• 5.1.5 计算结果及分析
• 5.2 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录