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Rayleigh波作用下隧洞衬砌内力的解析解

白少国  
【摘要】:随着社会和经济的高速发展,地下结构在土木水利等众多领域中已得到了广泛应用。和地上结构相比,地下结构并未表现出强烈的惯性运动,因此,人们普遍认为地下结构有良好的抗震性能。然而,自1995年日本阪神大地震以来,历次的几次大地震都对地下结构造成了不同程度的破坏,由此改变了人们的错误看法,地下结构的抗震研究从此受到重视。近年来,由于计算技术的飞速发展,研究中以有限元法为代表的数值分析方法得到了广泛的应用。然而,数值分析方法有其本身的局限性,不能以显式的形式表达出影响结构反应的主要因素,使结构工程师难以了解和掌握各因素究竟是如何影响结构受力和变形的,不利于结构的概念性设计。因此,对于地下结构解析法的抗震研究,仍然具有其特殊的意义。对于S波和P波的入射情况,众多研究人员对于横截面为圆形和矩形的地下结构地震内力都已给出了拟静力法闭合解析解。然而,考虑土-结构相互作用、Rayleig h波入射下隧洞衬砌的截面内力解析解至今比较少见。本论文以浅埋圆形隧洞衬砌为研究对象,采用拟静力法,基于地下结构力学和弹性波动理论,考虑土与结构的相互作用,分别导出了Rayleigh波任意角度入射情况下,浅埋隧洞的纵向、横向变形及内力的解析表达式。然后,通过工程算例,对方法的有效性及Rayleigh波的作用效应进行了分析。研究表明,与SV波作用效应相比,Rayleigh波作用下衬砌的截面内力要大,尤其是轴力要大很多;当Rayleigh波平行于隧洞轴向传播时,衬砌纵向横截面获得最大应力,正应力主要由纵波分量引起,剪力主要由横波分量引起;当Rayleigh波垂直于隧洞轴向传播时,衬砌横向纵截面获得最大内力,截面内力在两种极限接触状态下的差别很小。浅埋隧洞衬砌的抗震设计,应充分重视Rayleigh波的作用效应。最后,对论文的主要工作进行了总结,并对以后的工作进行了展望。


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