考虑土与结构相互作用下的地下结构反应位移法和结构破坏模式研究

摘要

城市轨道交通已成为世界各大城市公共交通的重要方式。通常认为地下结构的抗震性能要优于地面结构，但在1995年的日本阪神地震中，神户地铁车站破坏严重，我国2008年汶川地震中也有隧道破坏的事例发生，因此地下结构的抗震特性研究具有十分重要的意义。
　　本文利用Abaqus二次开发Umat接口，编写等效线性黏弹性本构，在有限元软件中实现了等效线性分析;基于等效线性分析方法，考虑了柔度比、结构尺寸、结构埋深、结构形式、土体特性、地震动特性等因素的影响，对地震作用下地下结构在土体中的相互作用规律进行了系统性地探究;基于土与结构的相互作用规律，分析了传统反应位移法的误差来源，探索了结构的存在对于土体的影响范围，分析了误差结果，总结了柔度比对反应位移法计算中的影响规律，给出了传统反应位移法的适用刚度范围，提出了考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法，并对地铁车站工程实例进行计算分析，验证方法的有效性;最后，考虑地层和埋深因素的影响，利用推覆分析对不同形式的地下车站结构的破坏模式进行探究，对目前规范中采用的抗震设计指标进行了分析，给出设计过程中合理化的建议。
　　本文主要取得的成果如下:
　　(1)探索总结地震作用下土-结构相互作用响应规律。文中给出地震作用下地下结构转动系数α的定义方法，考虑不同因素的影响，探究土-结构相互作用规律，结果表明:在地震作用下，土与结构的刚度差异对其响应规律影响显著;柔度比F作为土与结构相对刚度的指标，可以合理地反映土与结构之间的刚度差异规律，柔度比偏离1越远，结构的变形和转动效应越明显;柔度比、泊松比、埋深是影响相互作用系数曲线和转动系数曲线的三个主要因素，其余因素的影响作用几乎可以忽略。
　　(2)提出了考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法。文中对反应位移法的误差来源和误差结果进行分析，给出了新的抗震设计方法，结果表明:不同柔度比的结构影响范围不同，大约在距离结构侧边3倍结构宽度时，土体变形不再受结构的影响;柔度比越远离1，传统反应位移法的误差越大，传统反应位移法的适用范围大致在柔度比为0.5～2之间;文中给出的考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法计算方法简便，计算准确性提升明显，可以作为地下结构抗震设计的参考方法。
　　(3)得出不同结构形式地下车站的破坏模式，给出抗震设计指标的合理性建议。结果表明:不同的结构在不同埋深、不同地层条件下，其破坏模式大体上相似，塑性铰均先出现在中板上，随着侧墙底部的屈服，侧墙顶部、中柱底部和顶部也进入塑性区，结构趋于破坏;埋深越大，结构弹性层间位移角和塑性层间位移角越小;地层条件越好，结构弹性层间位移角和塑性层间位移角越小;层间位移角限值用于判定地下结构弹性极限状态可能并不适用，对于塑性极限状态的判定可以认为基本适用，供实际工程设计参考。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景及意义

1．2地下结构抗震研究现状

1．2．1 地下结构地震响应特性研究

1．2．2地震破坏机制和破坏特征研究

1．2．3地下结构抗震设计理论的研究和抗震设计标准

1．3本文主要工作及研究内容

1．4本文创新点

2 等效线性方法在有限元软件中的实现

2．1等效黏弹性本构

2．1．1土体的最大剪切模量

2．1．2剪切模量比和阻尼比与应变的关系

2．2等效线性黏弹性模型UMAT子程序编写及求解步骤

2．2．1编写思路

2．2．2模型参数

2．2．3 实现方法

2．3等效线性分析方法验证

2．3．1数值模型建立

2．3．2迭代计算及结果分析

2．4本章小结

3土与地下结构的相互作用响应

3．1数值分析方法

3．1．1模型范围

3．1．2边界条件

3．1．3土体本构及参数

3．1．4结构概况

3．1．5输入地震动特性

3．1．6关键对比指标

3．2柔度比对地震响应的影响

3．2．1相互作用系数分析

3．2．2转动系数分析

3．3结构尺寸对地震响应的影响

3．3．1相互作用系数分析

3．3．2转动系数分析

3．4结构埋深对地震响应的影响

3．4．1相互作用系数分析

3．4．2转动系数分析

3．5结构形式对地震响应的影响

3．5．1相互作用系数分析

3．5．2转动系数分析

3．6土体泊松比对地震响应的影响

3．6．1相互作用系数分析

3．6．2转动系数分析

3．7地震动特性对地震响应的影响

3．7．1相互作用系数分析

3．7．2转动系数分析

3．8本章小结

4考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法

4．1反应位移法的缺陷

4．2反应位移法的误差分析

4．2．1 反应位移法误差来源分析

4．2．2反应位移法误差结果分析

4．3反应位移法的修正

4．3．1 反应位移法的修正原理

4．3．2修正方法的实现步骤

4．3．3修正方法的的结果对比

4．4工程实例验证

4．4．1 新发地站工程概况

4．4．2抗震设计条件

4．4．3数值计算

4．5本章小结

5地铁车站破坏模式研究及抗震设计指标分析

5．1数值模型的建立

5．2结构破坏模式分析

5．2．1 明挖两层两跨车站破坏模式

5．2．2明挖三层三跨车站破坏模式

5．2．3暗挖三层三跨车站破坏模式

5．3抗震设计指标分析

5．4本章小结

6．1本文结论

6．2不足与展望

参考文献

附录

索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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