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原文传递山岭隧道震害机制与沉管隧道抗震简化分析方法

论文题名：	山岭隧道震害机制与沉管隧道抗震简化分析方法
关键词：	山岭隧道;沉管隧道;震害机制;行波效应;阻尼系数;地震响应分析
摘要：	地下结构地震响应分析方法是当今工程抗震研究界重要的方向之一。近十年来的几次典型地震中，包括“汶川”特大地震，地下工程设施及其结构的震害现象，引起世界各国地震工作者的高度重视。　　本研究试图全面系统地总结国内外地下结构的抗震研究工作，以反映地下结构抗震领域的发展水平和进展，主要评述包括地下结构的震害特征、地下结构抗震分析方法和地下结构振动台模型试验等方面。本研究工作主要分为两部分:一方面，在总结汶川强地震中山岭隧道震害特点的基础上，分析和评价了单洞隧道和双线隧道的震害特征，并以距离震源较近的典型单洞隧道为研究对象，重点研究隧道关键区段如洞口段和洞身段的震害机制，揭示竖向地震动输入对隧道结构动力响应的影响规律;另一方面，针对沉管长隧道结构—土复杂体系抗震研究中存在的诸多问题，研究了表征沉管隧道接头性能的宏观力学模型和接头刚度的解析表达式、适用于长隧道结构高效地震响应分析的抗震简化分析方法、以及基于回淤变化、温度变化、行波效应等多因素影响的长隧道结构地震响应规律。　　主要研究工作如下: 　　 1.总结评价山岭隧道的震害特点。隧道震害调查表明，强震作用下隧道不仅在洞口会发生损害，洞身和隧道路面也会出现震害，震害的程度不仅与隧道所处位置（如震中距等）有关，还与隧道地质条件、隧道结构型式等有密切的关联。　　 2.典型单洞山岭隧道的震害机制分析。通过建立隧道-围岩体系的三维精细化数值仿真模型，对隧道关键区段如洞口段和洞身段的震害机制进行重点研究，分别进行了两种地震动输入工况的数值分析:考虑与不考虑竖向地震动输入，从而揭示了竖向地震动输入对隧道结构的动力响应规律。数值分析结果与震害调查现象基本吻合。分析结果表明，水平地震动作用是控制隧道结构损坏的首要因素，但竖向地震动作用则将会进一步加剧隧道结构的震害程度。　　 3.沉管长隧道结构的抗震简化分析方法。建立表征沉管隧道接头性能的宏观力学模型，基于受力平衡和变形协调方程，推导表征隧道接头刚度的解析表达式，将等效质量一弹簧体系和土一结构相互作用体系耦合，提出了一种新的长隧道结构抗震简化分析方法，建立了简化模型中的土体参振质量、弹簧刚度和阻尼系数，土体质点之间相互作用的弹簧和阻尼系数以及土-结构相互作用等参数的数学表达式。　　 4.基于多因素影响的沉管隧道结构地震响应分析。分别考虑不同回淤情况、不同温度荷载、动水压力作用、不同土体参数、行波效应、接头预应力拉索等多因素进行长隧道结构的三维动力有限元分析，研究了多因素变化对整体隧道结构内力及变形的影响规律。分析结果表明，回淤会减小隧道结构的地震响应，对隧道的安全运行有利，温度变化则会增大隧道接头的张开量，而动水压力作用对隧道结构的影响可以忽略，局部场地条件和行波效应是引起长隧道非一致响应的重要因素，接头预应力拉索可以有效地吸收地震时的变形，起到一定的减震作用。　　本项研究工作以理论分析和数值模拟为主要研究手段，结合实际工程展开，一方面，通过数值分析结果与震害现象对比，揭示了山岭隧道的损伤机理和地震作用机制;另一方面，提出了适用于沉管长隧道结构高效地震响应分析的抗震简化分析方法，得出多因素变化对长隧道结构地震响应的影响规律，有效地支持了工程建设的设计，并为地下结构抗震设计和分析提供理论指导。
作者：	禹海涛
专业：	土木工程
导师：	王建华
授予学位：	博士后
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文