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大型水下隧道与附属竖井的地震响应研究

陈向红  
【摘要】:摘要:随着水下交通的快速发展,水下隧道的震害问题日益突现,特别是深水域、松散土层中的长大型隧道与竖井结构的抗震安全问题亟待解决。然而,该问题涉及水-土-结构的多场耦合,其作用机理与分析理论极为复杂,目前对其进行的研究尚处于初步阶段。本文基于水波动理论、土动力学理论以及结构动力学理论,建立了地震作用下隧道与竖井结构的力学分析模型,并结合数值仿真分析法,对结构进行了地震响应研究。主要完成的工作及相关结论如下: (1)从水下圆截面柱体结构动水压力问题出发,给出了是否考虑水可压缩性、表面波效应因素影响下的动水压力计算式,并通过算例分析得出:在对大型地下结构进行动水压力分析时,可忽略水压缩性和表面波因素对隧道与竖井地震响应的影响。 (2)基于弹性地基梁原理,以附加质量形式模拟动水压力,提出了考虑结构自重与地震载荷共同作用的简化分析模型,推导了考虑隧道与竖井接头影响的结构内力计算式,并借助传递矩阵法进行了求解。进而,利用简化模型对影响隧道竖井动力反应的结构自重、水深等因素进行了分析,从中得出:减小竖井截面壁厚、加大竖井埋入土中深度有利于结构内力的降低,而增加水深则使得结构内力不断增大的分析结论。 (3)考虑粘弹性人工边界条件,提出了水-土-隧道与竖井系统的整体有限元计算模型,研编了计算程序,并分析了地震激励方向和主要因素影响下砂土和淤泥土地基中隧道与竖井结构的地震响应机理;进而讨论了接头刚度对结构内力与变形的影响。 (4)通过对松散土层中大型隧道附属竖井系统的稳定性措施研究及案例分析得出:重力式基础有利于结构稳定性,但同时也增加了基底应力。因此对大型地下结构进行稳定性设计时,须从提高地基承载力和结构抗震稳定性两个方面加以考虑。


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