可液化场地条件下地铁车站结构地震响应规律及设计方法思考

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论文字数:55696 论文编号:sb2022081221531049275 日期:2022-09-08 来源:硕博论文网

本文是一篇土木工程论文,本文围绕可液化场地中地铁车站结构地震响应分析展开研究,所得结论对工程有一定的指导意义和实用价值。但是鉴于时间、研究过程中采用的诸多假设和自身现阶段所掌握专业理论知识的限制,使得本论文的研究在许多方面还需要进一步完善和深入。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着我国城市化进程的快速发展,城市人口急剧增长,由此引发的交通堵塞、空间拥挤等问题日益凸显,因此,以地下铁道为主的城市轨道交通成为解决客运交通问题的重要途径。据统计,截止2021年,将有40个城市拥有地铁,总规划里程达到7274公里[1]。其中,《太原城市公交发展规划》中指出:1、太原轨道1、2、3号线拟于2025年建成;2、2035年将建成6条轨道,运营线路150公里,计划30分钟通达太原都市区[2]。石家庄地铁规划形成了“骨干三线大运量,正鹿栾藁通四向;辅助线路覆盖广,横纵成网双环放。”的特点[3]。北京的城市轨道交通建设更是驶入了快车道,已建地铁线路已形成“三环、四横、五纵、七放射[4]”的线网格局。各市区地铁线路规划,如图1-1所示。

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1.2研究现状
长期以来,针对地下结构的抗震分析理论及设计方法的研究进展缓慢[20]。1995年日本阪神地震,造成城市地铁车站及区间隧道发生严重破坏[21],甚至出现大开地铁站完全坍塌的情况,从而引发了学者对地下结构抗震问题的极大关注。目前,国内外关于地铁地下结构抗震问题的研究主要有以下方面:
1.2.1理论分析研究现状
在20世纪60年代,福季耶娃[22]、Newmark和Kuesel[23]通过波推导动方程,提出了自由场变形法;在20世纪80年代,学者提出了Shukla法SCETD法及ST.John法,该方法可求解二维自由场变形问题[24];在20世纪90年代,Lee和Karl[25~26]等推导了半无限域中单个隧洞对P波及S波的散射解;刘如山等[27]提出了反应应力法,该方法可直接反映惯性力和阻尼力的相互作用;刘晶波等[28]提出了适用于地下结构的Pushover法,该方法可以很好的考虑成层土对结构的弹塑性静力作用;龚成林等[29]通过相互作用系数法提出了土-结构相互作用系数法,研究了断面尺寸、柔度比、结构埋深的影响;刘晶波[30]提出了整体式反应位移法,并验证了该方法的正确性和适用性;安军海[31]基于板柱结构等代梁的理论及概念,提出了等代平面框架法,该方法解决了选取传统“延米框架模型”计算时结构中柱内力严重偏小的问题;禹海涛[32]针对地下结构选用反应位移法进行抗震设计时存在的问题,提出了对不同结构形式和不同场地条件均有较好适用性的反应剪力法;Hui Tan[33]通过建立空心地基和整体土-结构有限元模型,提出了整体地震变形法;朱俊[34]提出了隧道地震动土作用的简化计算方法;邱滟佳[35]基于地上建筑-土-地铁车站一体化模型的动态平衡特性,分析得到了地上建筑对地下结构的地震响应影响机制,并在此基础上推导了受周边建筑影响的地铁车站简化抗震设计方法;宾佳[36]利用自行研发的一维土地震反应分析软件APALS,给出了随着地震动幅值的增大而逐渐变化的地震荷载加载模式,并对其抗震性能进行了评价。
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第2章土-结构相互作用数值模型的建立
2.1数值模拟软件简介
土-结构动力相互作用模型的建立需考虑细节问题,模型精细化的建立能为后期结构地震响应规律分析打下坚实的基础;基于此,本章对有限差分模型的计算区域、本构模型、不同工况土体及结构物理力学参数等计算要素;边界条件、力学阻尼及接触面的设置与选取;饱和砂土的判定准则等几个关键问题进行了讨论。最后,基于FLAC3D软件建立了土-结构动力相互作用模型,为后续数值分析的顺利开展奠定了基础。
FLAC3D是由二维的有限差分程序FLAC拓展而来的,它既能模拟土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性,也可以对其塑性流动进行分析。FLAC3D是通过显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术,来精确模拟材料的塑性破坏和流动。FLAC3D最大的优势是较小的内存能求解较大范围的三维问题。基于此,利用FLAC3D进行可液化场地中地铁车站结构地震响应规律数值模拟分析。
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2.2数值模型建立与参数设置本文参考
北京市某地下结构建筑的施工图建立的模型,从计算收敛和计算速度角度出发,将模型简化为典型二层三跨地铁车站结构。定位见下图2-6所示。

土木工程论文参考
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根据地铁车站结构截面形式及尺寸,使用软件FLAC3D分别对地铁车站结构及其四周的土体进行建模,地表面作为土-结构相互作用模型顶面,基岩处作为下边界,底部采用固定约束,自由场边界施加在模型四周,以用来吸收边界上的地震波产生散射,使得主体、自由场两种网格实现同步运动,使实际地基土层在地震作用下达到自由场运动的效果。地铁车站结构及土体均采用实体单元模拟,其材料均为钢筋混凝土结构,车站纵梁、中柱及墙板混凝土等级分别为C40、C45、C40,其相应部位的结构参数如表2-4所示。混凝土结构选用弹性本构模型,场地土层选用Mohr-Coulomb强度准则,水位线以下可液化土层选用PL-Finn模型,结构与土体均采用局部阻尼,其阻尼系数分别为0.157和0.314。
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第3章地铁车站结构上穿可液化土层地震响应分析···················23
3.1数值模型建立·························23
3.2孔隙水压力分析··························24
3.3加速度分析································27
第4章可液化土层位置对地铁车站结构及周围场地地震响应分析···················35
4.1数值模型建立·····························35
4.2孔隙水压力分析······························37
4.3土体液化大变形位置···················39
第5章可液化场地中PBA、箱型框架地铁车站结构地震响应对比分析············51
5.1数值模型建立··················51
5.2孔隙水压力分析······························52
5.3地铁车站结构加速度分析······················53
第6章反应位移法拓展研究
6.1反应位移法
6.1.1反应位移法基本原理及步骤
目前,在实际工程中运用传统反应位移法对可液化场地中地铁车站结构进行抗震计算时,只是简单地将液化土体的压力考虑为水压力,同时将土-地下结构之间的相互作用系数予以一定折减,如此简化得到计算结果往往误差很大,难以满足实际工程的需求;同时该方法要求假定地震中土体不丧失完整性,且土层之间模量相差较小。显然,理论上,在可液化场地中地下结构进行抗震设计时直接采用传统反应位移法进行分析是不合适的。因此,对可液化场地中反应位移法的改进是有必要的。
反应位移法基本思路:首先,根据分层厚度加权平均法将基岩面以上的地层简化为单一均匀的土层;然后,计算出该处地层的自振周期、地基弹簧刚度和速度谱,再计算出地震外荷载;最后,将外荷载加载到结构上,计算出结构的内力。反应位移法计算简图如图6-1所示。

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结论与展望
结论
城市轨道交通的快速发展,越来越多的地铁地下结构也不可避免地穿越可液化砂土地层中,地震作用下可液化地基与地铁地下结构的相互作用的机理研究也迫在眉睫。针对此类问题,本文在对国内外地铁车站结构震害特征及其抗震分析研究现状的基础上,通过理论分析及数值模拟手段,对可液化场地中地铁车站结构地震响应分析及抗震设计方法进行了深入系统的研究,并得到如下结论:
(1)可液化场地中地铁车站结构地震响应规律
分析地下结构上浮的过程中,其两侧土体会产生持续不断的环向位移流动;地震时地下结构的存在加大了可液化土体的地层变形,但会显著降低结构上方土体一定范围的地表地震响应;与一般场地土层工况相比,上穿可液化土层时地铁车站结构的地震响应有所降低,下部可液化土层具有一定的隔震效应。可液化场地中,浅埋地下结构附近的土体部分上浮、部分沉陷是造成地表土体开裂的内因。
在可液化场地中,土体运动不仅局限于水平向,还存在上下方向的运动,当可液化土层位于地铁车站结构下部的左侧和上部的右侧时,土体位移并不是最大的,仅结构正上方存在可液化土层时,土体位移最小,液化程度也最轻微;结构下部左右两侧存在可液化土层时,土体位移最大;从土体位移情况可判断,液化区严重程度顺序为,结构左侧下部最大,左侧上部次之,正上方最小。
PBA、箱型框架地铁车站结构中越靠近地表的监测点其位移越大,整体呈现出剪切变形模式;地铁车站结构的地震力学行为:在强地震动作用过程中,由于超静孔隙水压力的发展,地下车站结构在中部出现凸形变形,使顶底板受到较大的拉应力,板的两端出现拉伸破坏;顶板边跨两端出现破坏后,上覆土压力更多的作用在没破坏的中跨并转移到中柱上,出现受压破坏;底板由于结构的凸形变形,在跨中受到很大的拉应力,表现出弯曲破坏的特征。
参考文献(略)


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