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盾构隧道等效建模方法及地震响应分析

作　者: 王飞
导　师: 金先龙
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 地震响应分析 盾构隧道 非一致性地震激励
分类号: U452.28
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着我国经济的快速发展和人口的快速增长,地面的交通方式已不能满足经济发展和居民出行的需要,隧道等地下机构的大量建设已成为解决我国交通问题的必然选择。然而我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压,地震断裂带十分发育。20世纪以来,中国共发生6级以上地震近800次,遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。因此地下结构抗震研究已成为我国的重要课题。本文依托上海市隧道工程轨道交通设计研究院委托项目“特大型盾构隧道三维仿真模拟及抗震分析研究”提出了大型盾构隧道地震动力响应数值模拟方法,本文创建了上海市长江西路隧道、工作井和周围土体的三维有限元模型,再现了大型隧道结构在初始工况、一致性地震激励和非一致性地震激励工况下的动力响应,并分析隧道结构关键断面的在地震工况下的位移、变形和应力的变化规律,从而发现地震可能导致隧道损毁的不利工况、不利断面和不利位置,为隧道结构的抗震性能进行综合评价,为隧道结构的抗震设计提供技术支撑。本文的主要研究内容包括:研究了大型盾构隧道地震动力响应数值计算方法。本文采用动力有限元数值计算方法来求解盾构隧道的地震动力响应问题。为了更有效的求解运动方程本文采用中心差分法。显示中心差分法在非线性分析中意义重大,因为非线性分析中,每个增量步的刚度矩阵是被修改的,这时采用显示算法,避免了矩阵求逆的运算,计算上的好处非常明显。研究了隧道管片拼装模型与等效模型的建模方法,并设置多组数值等效试验确定等效模型的刚度折减系数。本文为了使等效模型代替拼装模型,采用修正惯用法设计了横向等效试验和纵向等效试验,计算得出等效模型的横向和纵向的刚度折减系数。通过确定合理的刚度折减系数可以使等效模型可以更真实的代替实际中复杂的拼装模型,简化建模并减少计算时间。研究了长江西路隧道在初始工况下的动力学响应。首先本文研究了长江西路隧道和周围土体的建模方法,然后为了更好的模拟隧道的开挖过程,本文采用了分步加载的方式。通过分步加载的方式,先得到土层在重力下的初始应力,然后将土层的初始应力和水压力导入到土体-隧道耦合初始有限元模型,设置合适的边界条件,计算得到隧道在初始工况下的变形及应力。研究了初始工况下的隧道一致性地震激励动力学响应。本次工况考虑了重力场的影响,为了减小了有限域边界条件影响,本文在整体模型四周添加了粘弹性人工边界,并考虑了阻尼在结构动力分析中的作用,通过分析隧道关键断面的变形及应力情况,发现隧道在地震发生时的不利断面和位置,为隧道等地下结构的抗震设计及分析提供了有益的参考。研究了初始工况下的隧道非一致性地震激励动力学响应。本文非一致地震激励加载方法采用考虑行波效应的行波法。行波法能考虑各点间地震动的相位变化,对于建立在较为均匀岩石地基上的大跨度结构来说,行波法具有简单而又比较符合实际的特点,因而应用比较普遍。相比一致性地震激励输入法,行波法更真实的反映了地震的实际情况,计算结果也更符合实际情况。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 隧道抗震研究概述  13-16
    1.2.1 抗震研究方法分类  13-14
    1.2.2 隧道抗震具体分析方法  14-16
  1.3 国内外抗震研究现状  16-20
    1.3.1 地震观测与模型实验  16-18
    1.3.2 理论分析  18-20
  1.4 研究目标及主要内容  20
  1.5 特色与创新  20-22
第二章 结构动力学理论与有限单元法基础  22-37
  2.1 引言  22
  2.2 结构动力学理论基础  22-30
    2.2.1 动力有限元法基本步骤  22-25
    2.2.2 中心差分法  25-28
    2.2.3 沙漏现象及其控制  28-30
  2.3 接触计算理论基础  30-36
    2.3.1 接触界面条件及罚函数法  30-32
    2.3.2 接触计算的有限元方程  32-35
    2.3.3 有限元方程的显示解法  35-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章 隧道局部结构拼装模型与等效模型等效参数确定  37-51
  3.1 引言  37
  3.2 隧道局部结构拼装模型  37-40
    3.2.1 通用管片模型  38-39
    3.2.2 橡胶密封垫模型和螺栓模型  39-40
  3.3 隧道局部结构等效模型  40-42
    3.3.1 隧道等效结构有限元模型  40
    3.3.2 等效模型的材料参数  40-42
  3.4 隧道局部结构拼装模型等效试验  42-50
    3.4.1 等效试验原理  42-43
    3.4.2 横向等效试验  43-47
    3.4.3 纵向等效试验  47-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章 隧道初始工况下的数值仿真  51-75
  4.1 引言  51-52
  4.2 长江西路隧道三维有限元模型  52-57
    4.2.1 隧道轴心线模型  52-53
    4.2.2 隧道衬砌模型  53-54
    4.2.3 联络通道模型  54-55
    4.2.4 工作井模型  55-57
  4.3 土体三维有限元模型  57-60
    4.3.1 土体分层模型  57-59
    4.3.2 土体本构模型  59-60
  4.4 隧道—土体整体耦合模型  60-62
  4.5 初始工况隧道数值仿真条件和加载方法  62-65
    4.5.1 初始地应力  62-63
    4.5.2 外水压力和边界条件  63-65
    4.5.3 控制断面选取  65
  4.6 仿真结果与分析  65-74
    4.6.1 普通断面  65-71
    4.6.2 联络通道  71-74
  4.7 本章小结  74-75
第五章 初始工况下隧道一致性地震激励数值仿真  75-87
  5.1 引言  75
  5.2 仿真条件和加载方法  75-79
    5.2.1 地震波加载  75-76
    5.2.2 人工边界  76-77
    5.2.3 阻尼选取  77-78
    5.2.4 加载方法  78-79
  5.3 一致性地震激励仿真结果及分析  79-86
    5.3.1 普通断面  79-82
    5.3.2 联络通道  82-86
  5.4 本章小结  86-87
第六章 初始工况下隧道非一致性地震激励数值仿真  87-97
  6.1 引言  87
  6.2 仿真条件和加载方法  87-88
  6.3 非一致性地震激励仿真结果及分析  88-95
    6.3.1 普通断面  88-92
    6.3.2 联络通道  92-95
  6.4 本章小结  95-97
第七章 总结和展望  97-99
  7.1 工作总结  97-98
  7.2 研究展望  98-99
参考文献  99-103
致谢  103-104
攻读学位期间参与课题及发表论文情况  104

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 隧道工程 > 勘测、设计与计算 > 设计 > 抗震设计
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