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基于土—结构相互作用的地铁车站抗震的动力有限元响应分析

作　者: 贺万里
导　师: 魏红卫
学　校: 中南大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 地铁抗震动力相互作用有限元法耦合作用影响因素
分类号: U231.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着地下结构建设规模的不断扩大,地下结构的抗震设计及其安全性越来越成为工程界所关心的重要课题。土-地下结构动力相互作用问题是成为地下结构抗震设计研究的重要内容。本文根据土-结构动力相互作用的基本理论,利用ANSYS软件建立了土-地下结构相互作用的有限元模型,取得的主要成果如下：1、分别对自由场地和土-地下结构动力相互作用体系进行了水平地震、竖向地震和水平-竖向地震耦合作用下的时程反应分析,对不同工况的计算结果进行了对比研究。2、根据现行规范对上海某地铁车站在各项荷载进行基本组合的条件下进行静力分析,得出在静力条件下,地铁车站的中柱受到的弯矩和剪力很小,主要承受轴力,弯矩和剪力的最大值发生在车站底板与侧墙的结合处。并与结构在地震过程中产生的结构内力做对比。3、对该车站所处地质环境进行地震的自由场分析,得出EI-Centro波、迁安波、阪神波在基岩水平方向输入时,虽然引起的地表加速度峰值相同,但在基底输入的加速度峰值和引起的地表位移峰值并不相同。证明了位移反应不仅与输入地震波的峰值有关,还与其频率组成有关。4、对地铁车站分别进行了水平地震波和水平-竖直耦合地震波反应分析,得出耦合作用增加了体系的最大反应。因此,在进行地震反应分析时,只考虑水平剪切破坏的做法,对工程抗震是不够安全的,应充分考虑耦合地震的作用。5、在地下结构的动力反应分析中,顶板中部的变形和受力较大,两侧壁角隅处的应力高度集中,变形也较大。因此在设计和施工过程中,应对上述部位予以重视。6、增大车站主体结构的密度和刚度对土-结构体系的自振频率改变很小,对抵抗地震作用下结构的位移效果也很小,反而结构应力增加很多。土-结构体系的自振频率主要受结构周围土体控制,土体弹性模量较大时,结构在地震作用下的位移和应力会明显减小。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 选题背景  8-9
  1.2 地下结构抗震的国内外研究现状  9-10
  1.3 地下结构抗震的主要研究方法  10
  1.4 地下结构和地上结构抗震分析的区别  10-11
  1.5 已有的地下结构抗震研究理论方法  11-17
    1.5.1 ST.John法  11-12
    1.5.2 shukla法  12-14
    1.5.3 反应位移法  14-15
    1.5.4 BART法  15-16
    1.5.5 福季耶娃法  16-17
    1.5.6 已有方法的局限性和本文研究的必要性  17
  1.6 本文的主要工作及意义  17-19
第二章土与结构体系动力分析的基本理论  19-33
  2.1 前言  19
  2.2 土体材料的非线性理论  19-26
    2.2.1 土体动应力-应变关系的基本特征及土体本构模型总结  19-21
    2.2.2 土的非线性粘弹性模型  21-23
    2.2.3 土的弹塑性理论和模型  23-24
    2.2.4 本文土体本构模型  24-26
  2.3 时程分析方法的主要步骤  26-27
  2.4 结构的恢复力特性与模型  27-29
  2.5 阻尼理论  29-30
  2.6 地震波的选取和调整原则  30-33
第三章自由场的地震响应分析  33-46
  3.1 引言  33-34
  3.2 自由场有限元有限元模型的建立  34-38
    3.2.1 模型尺寸选取  34
    3.2.2 人工边界条件  34-35
    3.2.3 自由场单元模拟  35
    3.2.4 单元网格的划分  35-36
    3.2.5 阻尼  36-38
    3.2.6 地震动的输入方式和积分步长选取  38
  3.3 自由场地震响应算例参数及假定  38-44
    3.3.1 算例与基本假定  38-41
    3.3.2 自由场地震响应分析  41-44
  3.4 结论  44-46
第四章地铁车站的静力分析  46-54
  4.1 引言  46
  4.2 荷载分类及其组合  46-47
  4.3 有限元模型的建立  47-53
    4.3.1 工程概况  47-48
    4.3.2 模型荷载取值  48-49
    4.3.3 模型假定及参数选取  49-53
  4.4 结论  53-54
第五章地铁车站抗震的时程分析  54-75
  5.1 引言  54
  5.2 工程概况  54-55
  5.3 计算模型建立  55-58
    5.3.1 基岩面选择  55
    5.3.2 阻尼计算  55-57
    5.3.3 人工边界及网格划分  57
    5.3.4 接触模型  57-58
  5.4 水平地震作用下的土与结构相互作用体系反应分析  58-61
  5.5 竖向地震作用下的土与结构相互作用体系反应分析  61-62
  5.6 耦合地震作用下的土与结构相互作用体系反应分析  62-64
  5.7 地下结构的应力及位移分析  64-67
    5.7.1 应力分析  64-66
    5.7.2 位移特征  66-67
  5.8 影响地铁车站动力响应的几个因素分析  67-73
    5.8.1 车震主体材料弹性模量对地下结构动力响应影响  67-69
    5.8.2 车站主体材料密度对地下结构动力响应影响  69-71
    5.8.3 车站周围土体的弹性模量对地下结构动力响应的影响  71-73
  5.9 结论  73-75
第六章结论与展望  75-77
  6.1 结论  75
  6.2 有待进一步解决的问题  75-77
参考文献  77-81
致谢  81

基于土—结构相互作用的地铁车站抗震的动力有限元响应分析

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