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《清华大学》 2004年
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地铁地下结构震动变形的实用评价方法研究

付鹏程  
【摘要】:抗震设计是地铁地下结构设计中非常重要,也是相对薄弱的环节。一方 面,当前对于地铁地下结构的地震响应与致灾机理的认识还不够明晰;另一 方面,尚缺乏适用于设计实践的简化分析和计算方法。本文通过有限元静、 动力反应分析以及弹性力学理论解等手段,在对地震荷载下地铁结构和周围 土介质相互作用规律定量分析的基础上,针对隧道的轴向弯曲变形和横断面 剪切变形,分别提出了实用简化计算方法。 对于在行波作用下隧道的轴向弯曲变形,首先在平面应变假定下用有限 元法研究了沿隧道轴向传播的剪切波作用下隧道与周围土介质系统的动力反 应特性,发现对于结构变形来说运动相互作用起主要作用,而惯性相互作用 的影响则不明显,并且现行常规拟静力法计算公式所得到的隧道弯曲变形幅 值在某些情况下远大于动力反应计算结果。通过引入土介质的动力反力系数, 对现行计算公式进行了修正,使其能够与动力分析得到一致的结果。然后将 这些平面应变条件下推导出的简化计算公式推广到三维形式,使其能够反映 隧道横断面的高度对于隧道弯曲变形的影响,更为合理地反映了隧道-土介质 的相互作用特性。 对于自基岩向上传播的剪切波作用下隧道横断面的剪切变形,首先分析 了无限均匀弹性介质中结构与周围土层的静力相互作用,推导了结构与土层 变形的相互作用系数的简化计算公式。通过动力有限元分析,研究了入射波 长和结构的惯性对于动力相互作用的影响。在此基础上,提出了一种简化设 计方法。新方法通过一维剪切土柱的频域等效线性分析或者经验公式来确定 结构所在土层自由场的剪切变形峰值,再乘以本文建议的静力相互作用系数, 即可得到结构的最大等效剪切变形。对于实际算例的分析发现,简化计算方 法与有限元动力反应分析的结果非常接近,从而验证了 本文所提出的简化计算方法的有效性。 最后以建设中的北京地铁五号线为背景,从实际的勘察资料和设计方案 入手,阐明了利用本文所提出的简化计算方法研究实际地下结构地震反应的 一般步骤,以供实际设计工程师参考。
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