软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

下穿隧道对地铁车站结构地震反应的影响研究*

针对下穿隧道对临近地铁车站地震反应的影响问题,本文采用数值模拟方法,基于 ABAQUS 平台建立了隧道下穿大开地铁车站的整体三维非线性数值分析模型,通过改变地震动类型和隧道与车站结构的交叉净距,从结构构件的破坏比和竖向变形等角度,定量分析了不同工况下隧道下穿对车站结构地震反应的影响,并与单体大开车站原型结构的地震反应进行了对比。研究表明：下穿隧道会增大地铁车站结构中柱和侧墙的破坏比(相应的最大增幅：中柱为 35%,侧墙为 26%);同时,底板的竖向变形显著增大,最大增幅达到 100%;随着交叉净距的增大, 中柱和侧墙地震反应减小,而底板竖向沉降有所增大;下穿隧道对车站结构地震反应的影响范围约为隧道直径的 3 倍。研究成果对隧道近距离穿越地铁车站结构的设计与分析具有一定的参考价值。     

土体约束特性对地下结构地震反应的影响研究

针对土体对地下结构的约束效应,从相对刚度、相对埋深和土与结构界面接触特性三个方面"研究土体约束特性对地下结构地震反应的影响规律。以大开地铁车站单层段为研究对象,以中柱层间位移角为结构地震反应评价指标,利用ABAQUS有限元软件建立二维整体时域动力有限元模型选取8种相对刚度工况、4种相对埋深工况和4个界面接触特性工况,分析地震动峰值加速度时刻地下结构的地震反应规律,结果表明:受土体约束特性的影响,相对刚度和相对埋深均存在一个抗震最不利范围在该范围内,地下结构地震反应最大;当接触界面摩擦系数f < tanp时,随摩擦系数的增大,地下结构地震反应增大;当摩擦系数f ≥ tanp时,摩擦系数的改变对地下结构地震反应影响很小。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道结构体系的地震反应进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比。结果表明：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

地震动入射角度对地下结构地震响应的影响

考虑土-结构接触面效应和场地初始静应力影响,基于大型商用有限元软件ANSYS和粘弹性人工边界条件,采用动力松弛法的分析思路,建立了一种地震动斜入射条件下地下结构的接触非线性动力反应分析模型和方法,并讨论了地震动入射角度对地下结构动力反应的影响。结果表明:地震波斜入射使得结构的整体反应发生明显变化;随着入射角度的增加,节点的水平向应力反应明显增大,竖向应力峰值较小,增大程度也相对较小;节点的位移峰值随输入加速度峰值的增大也有一定的变化。因此,在分析近源地震作用下的地下结构动力响应时,需要考虑地震动的非一致输入问题。     

土体-结构界面接触对地下结构动力反应的影响

迄今为止,关于土体与结构交界面的接触效应对地下结构地震反应的影响尚未引起研究者们的重视,成果鲜有报道。本文基于接触面对法和非线性有限元波动分析方法,建立了考虑土体与结构界面接触效应的地下结构非线性地震反应分析模型和计算方法,并利用大型有限元软件ANSYS进行了求解。分析结果表明:土体与结构界面的接触效应对地下结构地震反应有明显影响,可能增大地下结构节点的峰值加速度、峰值位移和峰值应力反应;随着接触摩擦系数的增大,接触点的相对滑移逐渐减小,而接触应力的变化则无明显规律。     

水泥土桩复合地基场地地震效应分析

将复合地基加固区视为均质体,采用课题组提出的基于Davidenkov骨架曲线的土体动弹塑性模型描述复合地基加固区和非加固区土体的动应力-应变关系,基于大型有限元软件ABAQUS的操作平台,开发了土体动粘弹塑性模型的子程序。选择南京某典型软弱场地为研究对象,采用ABAQUS软件进行了复合地基二维弹塑性地震反应分析,研究了输入地震动强度和频谱特性、水泥土桩加固宽度和深度、复合地基模量对复合地基场地地震效应的影响。结果表明:输入地震动强度和频谱特性对复合地基地震效应影响较大;复合地基加固区地表的峰值加速度反应较自由场的反应明显减小,而加固体区外侧地表的峰值加速度反应较之自由场的反应可能增大;复合地基地表的峰值加速度反应随着水泥土桩加固深度和复合模量的增加而减小,而与加固宽度无关。     

地裂缝环境下不同隧道型式的地铁振动响应数值分析

以西安穿地裂缝带的地铁隧道工程为背景,利用ABAQUS软件建立了不同衬砌型式下的隧道–地裂缝–地层相互作用模型,对各有限元模型施加地铁移动荷载模拟体系的振动响应,分析了地裂缝邻近土体振动的基本特征,以及隧道断面尺寸和形状对振动响应的影响。计算表明:近振源处的土体以高频振动为主,远振源处的地表以低频振动为主;对于穿地裂缝带的分段式马蹄形隧道,隧道正上方地表地裂缝附近土体加速度响应强于远离地裂缝的土体,增大隧道断面尺寸,可以有效地减弱地表的振动;在本次模拟条件下,隧道断面形状对距隧道中心线12m范围内地表的振动有一定影响,对此范围之外的影响不显著;圆形断面下的位移响应与马蹄形和矩形的差异较大,马蹄形和矩形断面的位移响应差异不显著;地铁移动荷载下,地裂缝处上下盘土体间有一定的竖向位错量,其大小与距衬砌的距离有关。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

地震波斜入射下土质边坡的稳定性分析*

地震诱发的边坡失稳是重要的地质灾害类型之一，数值方法是对地震边坡进行分析的一项重要工具。基于黏弹性人工边界，通过将地震记录转化为等效地震荷载实现地震波在场地中的施加；并采用Mohr?Coulomb准则模拟土体的非线性特征。根据非线性有限元软件ABAQUS，建立了双面边坡的数值模型，通过分析地震波在不同角度入射下不同坡角边坡的地震响应，讨论了地震波入射角以及边坡坡角对破坏的影响。结果表明，地震波入射角和边坡形状改变了地震波在坡体内的传播规律，因此影响了边坡的破坏。随着地震波入射角的增加，靠近波源一侧坡面的滑动位移和滑动区域逐渐增加，而远离波源一侧的滑动位移和滑动区域逐渐减小。边坡坡度的增加引起坡面危害的逐渐加剧。本文讨论了不同尺寸边坡在不同地震作用下的破坏规律，从而为地震诱发边坡的失稳破坏提供了理论支撑，具有重要的现实工程意义。     

多层立交隧道复杂节点结构地震响应特性分析

以南京某工程的多层交叉节点结构大型振动台试验为基础,基于ABAQUS有限元软件,采用一致粘弹性边界模拟土体的边界条件,建立考虑土-节点结构动力相互作用的三维有限元模型,分析各试验工况下的结构及土体的地震响应,与试验结果进行对比,验证模型的正确性,在此基础上,分析原型结构的地震响应特性。结果表明:数值模拟结果与振动台模型试验的结果基本一致;多层立交隧道节点结构的破坏程度与其埋深密切相关,埋深越大破坏程度相对减小,多层立交隧道节点结构的薄弱环节主要集中在板与侧墙、中墙的交界处,且结构的地震动特性在很大程度上受周围土体的性质的影响。     

地裂缝环境下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的研究

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究.研究结果表明:随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并...     

双线地铁盾构隧道的拟静力弹塑性抗震分析∗

目前地铁抗震设计规范中常用的地下结构抗震设计方法主要是位移响应法和应变传递法。这两种方法都是基于弹性假设,不能体现土体和地下结构的非线性。在刘晶波提出的地下结构Pushover分析方法的基础上,利用自主编制的一维土层地震反应分析软件APALS给出了随着地震动幅值增大而逐渐变化的地震荷载加载模式,并针对实际的双线地铁盾构隧道进行了拟静力弹塑性抗震分析,对其抗震性能进行了评价。结果表明:(1)隧道内力趋于一个极限值;(2)隧道的内力在θ=45°、135°、225°和315°的位置最大;(3)在隧道尚未破坏时,隧道周围的土层已经先达到破坏状态。     

日本阪神地震中大开地铁车站地震破坏机理分析

基于ABAQUS有限元软件,对日本神户大开地铁车站在阪神地震中的地震反应进行了数值模拟研究。采用能合理反映剪胀及应变软化特性的统一硬化本构模型来模拟土体的力学行为,同时应用塑性损伤模型描述了混凝土的力学特性,建立了大开地铁车站的三维数值计算模型。首先研究并对比了水平地震动单独作用,以及水平与竖向地震动共同作用下大开车站结构与围岩土体的地震反应,进而探讨了浅埋地下结构的地震破坏机理。数值结果表明:在强震作用下浅埋结构的上覆土体首先剪切破坏,进而丧失抗剪能力;上覆土体丧失抗剪能力后,在竖向地震作用下,其惯性力作用于车站结构顶板,该惯性力与侧壁土体引起剪切荷载的耦合作用使车站结构的中柱压剪破坏,继而结构顶板折断,最后结构整体倒塌。     

场地地震反应分析研究现状及展望∗

场地条件对结构震害的影响已成公认的事实,如何定量的进行场地地震反应分析成为地震工程学中亟待解决的问题之一,而在场地地震反应分析中确定地震动输入至关重要。针对场地条件和地震动输入对场地地震反应的具体影响、场地地震反应分析方法等方面的研究现状进行了系统总结。已有研究表明,场地条件和地震动输入对场地地震反应分析结果有显著影响。但目前仍存在的问题有:在冻土区进行场地地震反应分析时未充分考虑冻土层的影响效应;缺乏合理的地震动模型来准确描述实际地震动;尚未明确地震波入射角度对场地地震反应的影响规律;目前广泛使用的等效线性化方法不能完全反应土体在地震动作用下的真实运动状态而使其计算结果不尽合理。结合以上问题对还需进一步研究的内容进行了展望,为场地地震反应分析未来的研究工作提供参考。     

上盖一体化地铁车站结构非线性地震响应分析∗

基于 ABAQUS 软件建立了地下地铁车站?土?上盖建筑一体化结构大型三维有限元数值模型,计算分析了上盖一体化地铁车站结构的地震响应规律和破坏机理,探讨了上盖一体化地铁车站结构与单体车站结构地震响应的差异。结果表明：地铁上盖一体化结构体系各阶自振频率与自由场地较为接近,地铁上盖结构的存在对场地动力特性的影响较小;强震作用下,一体化地铁车站结构的损伤破坏区域主要是车站各层楼板和墙柱的交接位置,尤其是中柱和侧墙顶底部的损伤最为严重;单体车站与上盖一体化地铁车站结构地震响应规律存在一定差异,上盖一体化地铁车站结构的地震反应略小,其中,上盖地铁车站结构的地震响应同时受上盖结构和周围土体介质的影响, 上盖结构对上盖地铁一体化区域的影响显著,周围土体对上盖地铁非一体化区域的影响显著。     

地铁振动荷载作用下场地动力响应及振动衰减规律研究∗

地铁列车运行引起的场地振动对临近建筑、精密仪器等带来不可忽视的影响。为了研究场地在地铁运行振动荷载作用下的动力响应规律,基于 ABAQUS 软件建立了地铁隧道?土相互作用系统的二维有限元模型,并通过现场试验监测数据验证了模型的有效性。在此基础上,通过对场地表面振动峰值速度和加速度时程分析,研究了隧道埋置深度、土体阻尼比、土体不均匀性对场地地表振动特性及衰减规律的影响。研究结果表明：在一定范围内,土体表面的动力响应随着隧道埋置深度、土体阻尼比的增大而减小;不同土质条件下的场地地表的动力响应有一定的差别,但随着距离的增大,差别逐渐缩小。基于上述参数分析,采用 MATLAB 对峰值速度衰减曲线进行拟合,给出了场地振动衰减预测公式,可为振动敏感建筑场地的选择提供参考。     

盾构隧道的开挖模拟及地震反应数值分析

由于盾构隧道掘进的特殊施工工艺,使开挖模拟的数值计算存在着诸多难以量化的因素。采用应力释放法模拟盾构隧道的开挖,在衬砌和土体之间设置等代层单元模拟盾构施工的影响,求得竣工期的应力场和位移场。在静力计算基础上运用动力有限元时程分析法,采用粘性人工边界条件,分析了隧道衬砌在地震过程中的最大响应。其结果和规律可为一般的盾构隧道地震反应分析提供借鉴。