文档介绍：浙江大学
硕士学位论文
盾构法隧道纵向非线性地震响应分析与抗震设计研究
姓名:卢慈荣
申请学位级别:硕士
专业:水工结构工程
指导教师:蒋建群
20050201
摘要
盾构法隧道是现代都市生命线工程的重要组成部分,因此其地震安全性的研
究具有极其重要的社会、政治和经济意义。本文重点研究了盾构法隧道纵向地震
响应与抗震设计方面的问题,根据震害分析可将研究内容分为两个方面。一是盾
构法隧道结构在地震行波作用下的动力响应分析与抗震设计,二是盾构法隧道在
不均匀震陷下的纵向受力研究与抗震设计。
盾构法隧道由于其自身构造的复杂性,分析中首先要解决计算模型的建立问
题,对比考虑各种现有模型后,本文选取了日本志波由纪夫等人提出的等价连续
化模型,该模型可以避免对盾构法隧道结构的衬砌管片与纵向连接螺栓各自建模
后所带来的接头单元刚度难以理论分析的问题。按该模型可将隧道视为粘弹塑性
地基上的连续梁,土与结构之间的相互作用可用非线性弹簧和阻尼来模拟。针对
目前模型的等价单元刚度计算中未能考虑轴向力与弯矩共同作用,在充分考虑螺
栓非线性受力特性的基础上,本文首次推导出轴向力与弯矩同时作用场合非线性
等价单元刚度的完备计算式。在此基础上针对地震行波和不均匀震陷,分别采用
非线性动力有限元法和反应变位法编制相关分析程序研究了中强震行波作用下
盾构法隧道的纵向响应特性及相关抗震设计要点分析了盾构法隧道在不均匀震
陷下的纵向受力特性并探讨了地基与隧道各构成要素对隧道纵向地震响应的影
响以及螺栓非线性、不均匀震陷范围、地基刚度折减系数、隧道与其他构造物连
接方式、震陷模式等要素对盾构法隧道在不均匀震陷下的纵向受力影响规律。通
过算例分析,得出以下结论
地震动作用下纵向螺栓搭接处往往成为盾构法隧道破损的薄弱环节,地下隧
道结构抗震设计的原则不应该是抵抗周边土体的运动,而应该是将隧道设计
成可适应其运动变位的柔性结构。
盾构法隧道结构的纵向抗震设计建议采用螺栓最大张开量作为设计的控制
指标。同时,塑性比指标可较为直观地了解纵向连接截面上螺栓的受力情况。
采用等价连续化模型进行盾构法隧道的纵向受力分析时,等价弯曲刚度计算
不考虑轴向力所得结果与实际有较大差异。因此,采用等价连续化模型进行
盾构法隧道纵向受力分析时,在单元等价弯曲刚度计算中计入轴向作用力的
影响是十分必要的。
行波作用时,在正常使用工况下反应变位法仍不失为简便实用的分析方法,
但在螺栓进入塑性受力阶段后该法所得螺栓最大张开量就偏小了,此时就不
得不借助于非线性动力有限元法进行隧道的纵向抗震分析。
在中强震作用下,有必要考虑螺栓的非线性,同时螺栓强度的适当提高与预
应力的施加有助于提高隧道的纵向受力性能,特别是螺栓预应力的施加,工
程实践中无疑应尽可能采用。
管片尺寸对隧道纵向抗震设计的影响相对较少,但从有利于接头受力与降低
工程造价角度出发,适当降低管片厚度是合理的。而管片环宽的增大虽然给
施工带来便利,但考虑到这会导致纵向连接螺栓易于进入塑性受力状态,故
环宽的加大宜结合多方面因素慎重考虑。
在发生不均匀震陷时,不均匀震陷范围、地基刚度折减系数、隧道与其他构
造物连接方式及震陷模式对盾构法隧道的纵向受力影响较大,尤其是震陷模
式宜根据具体的场地条件进行专门分析,隧道与其他构造物连接方式宜采用
柔性连接。
本文通过对盾构法隧道纵向响应特性的分析,得出各要素对其响应的影响规
律,所得结论可为实际工程中盾构法隧道的初步设计提供有益的参考,同时所编
制分析程序也可用于盾构法隧道在长期荷载作用下产生永久地基变形时的纵向
受力分析与安全性验算。
关键词盾构法隧道纵向连接螺栓纵向地震响应等价连续化模型
行波不均匀震陷非线性动力有限元共同作用
盾构法隧道纵向非线性地震响应分析与抗展设计研究浙江大学硕士学位论文
第一章绪论
引言
近几十年来随着社会城市化程度的不断提高,人口向城市的迁移成为世界
性趋势,其直接后果是城市化水平的不断提高和城市规模的不断扩大。农村人
口向城市的迅速集聚引起了众多的城市问题,其中交通无疑是最严重的问题之
一,这在我国表现得尤为明显。城市的交通问题由于涉及环保、土地消耗、城
市景观及建筑物的保护等复杂问题,使其成为一个特殊的城市发展难题。可以
说城市交通问题己经日益成为制约城市发展的障碍,因此开发地下空间来解决
城市的交通问题无疑显得越来越重要了,而地下轨道交通无疑是最有效的解决
手段之一。目前,我国的许多大城市都己建有地下轨道交通网,如北京、天津、
上海、广州、深圳、南京等,同时,全国还有杭州