隧道工程论文

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1、西南大学地下结构与隧道工程课程论文 论文题目： 城市地铁抗震分析 学 院： 工程技术学院 专 业： 土木工程 年 级： 201 级 姓 名： 学 号： 22 2016年6月25日目录【摘要】3一、研究背景3二、研究现状及特点4三、 基本问题及分析方法探讨51研究地震波场输入机制以及建立地下结构与土体系统的物理力学参数数据库52研究地基土以及土体一结构接触面的动本构模型及参数63发展合理而实用的求解非线性边值问题及确定地下结构之上地震土压力的方法6四、地铁地下结构的抗震性能以及抗震设计的方法、对策及技术71抗震措施认识72研究地下结构抗震性能的主要途径73实例分析84拟动力试验及其抗震安全性。9

2、五、结束语10主要参考文献101城市地铁抗震分析【摘要】以浅埋式地铁车站为重点，简析高烈度地震环境下地铁地下结构抗震设计的五个基本研究课题及其研究现状，浅议采用现场调壹、材料和结构试验、动力离心模型试验和数值模拟等多种手段研究上述课题的思路及可行性，强调研究之目的是为了发展合理而实用的抗震设计理论与方法、发展经济而有效的抗震对策与技术、形成一套科学而系统的地铁地下结构抗震设计的规范体系与条例。【关键词】地铁，地震，抗震设计一、研究背景 近20年来，地下空间开发利用成为众所关心的热点，地下结构越来越被广泛地采用。预计在21世纪，地下结构、地下空间开发将得到更大的发展。在我国，地下空间、地下结构开

3、发利用的潜力还很大。据统计，到2016年止全国地铁项目将达到140个，长度为4394km，其中全国已建长期规划中的地铁项目达到110个,长度为26445 km几条海底隧道和过江隧道也正在积极筹建中。 我国地处于欧亚大陆板块、太平洋板块、印度板块和菲律宾板块之间，地震活动非常频繁。1995年阪神地震中地铁结构的严重破坏给全世界人们一个警示地下结构的抗震非常重要。所以今年来在我国地铁抗震问题日益受到人们的关注。 随着地下空间的开发，地下结构建设规模的日益扩大，加强地下结构的抗震能力及其安全性已成为亟待解决的首要问题。这是因为，1)长期以来，人们普遍认为地下结构的抗震性能较好，地震时偏于安全。但是近

4、-十年来全球范围内发生的几次强烈地震特别是神户地震，地下结构均有明显破坏，以往的“地下结构在地震时是安全的”这一传统观点受到了质疑。2)地下工程一般采用无梁楼盖结构或框架结构，根据地下结构地震破坏的特点，这些结构抗水平地层运动的能力较弱，因此这预示着地下结构地震时存在易损性，有必要对现行的地下结构进行抗震校校。如果在设计和施工时不充分考虑地震荷载因素，一旦有强震发生，其后果不堪设想。3)由于地下工程担负着重要的社会功能，其投资成本比地面结构高得多，且建于地下，一旦有裂缝或其它变形，将会发生渗水、漏水等现象，严重影响它的使用。4)下结构的震害现象不易于发现，检修不便。除此之外，其他一些学者也对地

5、铁地下车站、区间隧道等地下结构抗震的相关方面进行了大量有益的探索二、研究现状及特点 与一般的地面结构相比，地铁车站及隧洞等地下结构的使用周期更长，而且一旦发生破坏，除了破坏隐蔽和修复困难外，所带来的直接和间接损失也远大于一般的地面结构。因此对地铁地下结构的设防水准以及抗震分析与设计方法理应有更高的要求。但是，与地面结构丰富的震害记录相比，地下结构在历次地震中的震害记录较少、程度较轻，人们逐渐形成了这样一种观点，即地下结构在地震作用下所受破坏程度远比地面结构轻，而且认为地铁地下结构的地震反应与基岩输入加速度峰值关系很小，地下结构在地震作用下破坏的可能性不大，对地下结构的设计也只是仿照地面结构的做

6、法。譬如，将水平地震作用模拟为按一定形式分布的惯性力荷载作用于结构之上，或者采用地基的静力刚度代替动力刚度来计算地下结构的地震反应。又如，在确定地震土压力荷载时，常用的方法有两种，一是根据地震烈度对土体的内摩擦角进行折减，二是采用物部一冈部拟静力地震土压力公式进行计算，这种设计方法具有明显的局限性。还有些专家认为，地铁地下结构可以不考虑抗震设计问题。 实际上，地下结构一土体系统的震动灾变动力学行为是极其复杂的。在高烈度地震环境下结构与土材料均可能呈现出明显的非线性、弹塑性或者塑性性态：结构和土体之间的接触面处还可能出现局部脱开、滑动、错位、张闭等非连续变形现象；地下结构一土体系统的动力相互作用

7、的过程多是强非线性的、三维的、速率效应和循环效应影响均很突出的，并伴随有结构材料、特别是土材料本身的物理力学性质的弱化；地下结构一土体系统的破坏通常是渐进性的、局部化的，相互关联的。所以，高烈度地震条件下地下结构与土体系统的动力学行为的评价与灾变预测，需要合理地考虑材料非线性、几何非线性、弹塑性、接触面、局部不连续、渐进破坏等现象。 经过近几十年的努力，有关上述问题的理论和应用研究已经取得了非常大的进展”。J。但是，由于问题本身的极其复杂性，特别是强烈地震环境下地下结构一土体系统的动力学行为及其灾变过程评价的理论及方法离能够真实地模拟工程实际，还有相当一段路要走。目前对已有的理论及方法的验证，

8、还主要依靠灾后的现场调查、数值模拟以及十分简化的模型试验。对复杂的土体一地铁地下结构系统的动力学行为、过程和后果的预测与评价，还远不能满足工程建设的迫切需要。三、 基本问题及分析方法探讨 为了提高我国在该领域的科技水乎，需要紧密结合我国地铁地下结构工程中出现的科学技术问题，展开从基础、应用基础到实用技术的研究工作。具体地说，需要以我国大城市地铁工程为背景，以强震时易于受损的浅埋式大空间的地铁车站为重点，一方面对地铁地下结构抗震设计方法及其理论基础进行深入而系统的研究，另一方面在深入认识地下结构物一土体系统震动灾变动力学规律的基础之上发展经济而有效的抗震技术与工程措施，着重研究地铁地下结构的抗震

9、设计中迫切需要船决的五个关键性科学技术问题：1)地震波场输入机制以及土体与地下结构系统的物理力学参数数据库；2)土与结构材料的动本构模型、土体结构接触面的动本构模型以及模型参数；3)可考虑非线性及大变形的动力分析模型，包括远场与近场的描述、无限地基的模拟；4)求解非线性边值问题以及确定地下结构之上地震土压力的方法； 1研究地震波场输入机制以及建立地下结构与土体系统的物理力学参数数据库地下结构一土体系统的地震反应分析，通常需要先进行静力分析，计算出地震以前整个系统的静应力场；然后再进行动力分析，计算出由于地震动引起的动应力场。这样，地震过程中任一时刻总的应力场是由地震以前的静应力场和地震中的动应

10、力场叠加而成的。所以，土体的初始物理力学状态及其与结构物的接触方式对地下结构一土体系统的动力反应影响非常大。目前已有的研究大多都集中于地下结构一土体系统的动力分析模型和求解方法以及地震波场的输入机制。土体多被简化为弹性或者粘弹性介质。由于地铁地下结构周围的土介质本身的物理力学性质极其复杂，具有碎散性、多相性、特别天然性(以及由此引起的结构性、非均匀性、各向异性以及时空分布变异性)，土层中地下水的分布十分复杂”，加之震动孔隙水压力的影响“，导致了结构物与土体所构成的系统在地震激励下的动力学行为也干差万别。因而，合理地评价地铁沿线场地的工程地质条件、合理地确定土体与地下结构系统的原位起始物理力学状

11、态及其参数是至关重要的。可以通过对地铁沿线场地的典型工程地质条件深入细致的现场调查，通过对有代表性的现场土层进行试验研究，特别是通过对已有勘测试验资料的整理分析，在此基础上采用先进的工具和手段(譬如GIS信息系统平台及技术)，建立服务于地铁设计的场地土层物理力学参数及地震动参数的数据库。 2研究地基土以及土体一结构接触面的动本构模型及参数 目前研究土与结构接触面动力学特性的主要途径有三种：其一是将接触面与土体视为一体，构成所谓的阻抗函数问题(也称作地基动力刚度问题)，通过理论推导或者数值计算求解地基的动力刚度或者阻抗，由此可得出接触面处的力和位移之间的关系；其二是提出了多种接触模型及分析方法。

12、例如Penalty方法和Hybrid方法、动接触力模型以及节理单元等；其三是在接触面力学特性试验基础上直接建立接触面动本构关系。需要指出，地基的阻抗是频率相关的复函数，其实部为动力刚度、反映了地基士的刚度和惯性，其虚部是阻尼。阻抗函数问题研究的历史溯源于Iamb(1904)对点荷载作用下弹性地基振动问题的分析。此后的40多年来，对刚性基础板的各类振动问题进行了广泛的研究，但基本上都将士体视为弹性体或者粘弹性体。通过接触面动力学特性试验来再现和研究土体一结构接触面非线性动力学特性规律，是一个十分有效的途径。在试验基础上进行接触面动本构关系的数学描述方面，目前主要有三种方法：1)直接根据试验成果或

13、者对结果进行一些修正，提出描述接触面力学特性的经验关系；2)根据试验结果修正已有的土动本构模型，以用于描述接触面动力学特性；3)在试验及机理分析的基础上，直接建立接触面动力特性的本梅模型。已有的接触面动本构关系的研究大都集中在描述其剪切特性上，但是接触面试验成果表明，合理的描述应该系统地考虑切向应力应变和法向应力应变及其耦合特性。 3发展合理而实用的求解非线性边值问题及确定地下结构之上地震土压力的方法 目前已经发展了多种求解结构一土体系统动力相互作用问题的方法”。J，按求解域划分，有频域法和时域法，前者适用于线性问题，后者既适用于线性问题(模态综合)，也适用于非线性问题(逐步积分)；按求解方法

14、划分，则有解析法，数值法，杂交法和集中质量法。数值法适用性强，得到了广泛应用，包括有限元法(FEM)，边界元法(BEM)，有限差分法(FDM)，离散元法(DEM)，嫁接法(Cloning Method)。杂交法是将两种或两种以上不同的方法耦合起来的求解方法，由于其取各方法之所长而应用广泛。耦合的方式包括解析法与数值法；近场用有限元，远场用边界元、无穷元、边界阻抗和半解析法和有限条法(在结构物或者介质的一个方向采用数值法，另一个或两个方向上采用解析法)等。集中质量法是将研究对象等效为质量一弹簧一阻尼系统的一种分析方法。已得到广泛应用。总的说来，近年来杂交数值模型发展很快，线性小变形动力相互作用问

15、题的求解方法已达到相当高的水平，但非线性大变形问题却有很多问题尚待解决。解析法多是针对基础振动问题和地下结构物的动力反应分析提出的，能解决的问题十分有限，但与其它数值方法相耦合，仍能发挥重要的作用。有限元法、子结构法和集中质量法相对已比较成熟，应用也十分广泛。同济大学周健教授采用有限单元法对上海地铁车站的震动响应作了十分深入的研究”J。在已有研究工作基础上，尚需针对地铁车站和区问隧道的具体特点，一方面改进和发展物理概念正确、数学模型严密、计算方法可靠的高精度的分析方法，另一方面还需注意发展计算模型简单、参数便于确定、易为工程师所接受的实用性强的分析方法，以满足具有不同抗震设计标准及要求的动力相互作用分析的实际需要。四、地铁地下结构的抗震性能以及抗震设计的方法、对策及技术 1抗震措施认识 目前我国对趣铁车站及区闻隧遂等她下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下结构由于受到地层的约束，地震时构