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原文传递高速公路桥隧过渡段力学行为与动力响应研究

论文题名：	高速公路桥隧过渡段力学行为与动力响应研究
关键词：	桥隧过渡工程;施工优化;相似模型试验;高速公路;力学行为;动力响应
摘要：	随着高速公路的建设逐渐进入山岭重丘区，桥梁隧道工程也日益增多。桥隧过渡工程最显著的特点是相互连接的桥梁与隧道之间存在着相互影响，桥梁、隧道和周边岩体受到的扰动更多，其力学行为更为复杂。但是，目前国内外对桥隧过渡工程的研究十分有限，如何对施工过程中进行优化，以及如何分析车辆荷载对桥隧过渡段结构的动力作用都是值得关注的问题。针对以往研究中的不足，本文建立室内相似模型，首次利用室内试验研究了桥隧连接工程在重复行车荷载下围岩及结构的应力应变特征，及疲劳损伤。随后利用数值模拟手段，研究了桥隧结构在周期行车荷载下的动力响应。随后根据桥隧连接处存在沉降差异的特点，推导了重载汽车通过沉降差异处的振动方程，并建立相应的隧道振动响应方程，以此求得隧道在车辆冲击荷载下的动力响应。以室内试验，数值模拟及理论分析等手段研究桥隧过渡结构在行车荷载作用下力学行为与动力响应，在此基础上分别针对隧道边仰坡的参数反演，稳定性分析以及隧道施工围岩的力学行为进行了研究，阐明了隧道围岩在施工过程中的力学行为变化，为桥隧过渡段的设计施工提供了理论依据。最后结合现场试验，将本文研究成果与实际测试结果进行对比，验证了本文的理论计算的正确性。本文获得的具体研究成果有如下几点: 　　(1)在确定试验材料和试验方案的基础上，研究了不同工况下桥隧过渡段施工过程中，隧道围岩压力变化情况，洞口附近围岩及边仰坡土体的稳定性。在此基础上，研究了不同工况下桥隧邻接工程在后期运营阶段，汽车荷载及其冲击作用下，桥、隧结构各关键部位及洞口土体的受力、变形、位移和沉降情况，及工程中常见的病害机理。　　(2)利用有限元软件MIDAS-GTS，建立了桥隧过渡段的三维数值计算分析，并根据车辆动荷载的大小与时变规律，施加动力荷载。通过桥隧过渡段的围岩衬砌应力，位移的比对分析，研究车速与桥隧过渡段的不同形式对其稳定性的影响:对两种不同的基础形式在动荷载作用下的动力反应进行对比，分析提出合理的桥隧搭接过渡段结构形式，为方案比选提供理论依据。　　(3)在桥台与隧道衬砌的连接处，两者之间的沉降差异使车辆通过桥隧过渡段时对路面产生冲击作用。考虑车体自身的纵向转动与倾覆，车辆通过桥隧连接段的过程视为一定初始条件下的受迫振动，根据D'Alembert原理，建立了三自由度与五自由度下，车辆与路面的动力耦合计算模型并给出其振动方程。并利用Laplace变换，对该系统的动力响应进行分析，求得各车轮冲击力随时间的变化规律。为了研究上述冲击荷载对隧道断面的动力效应，将根据已有两相饱和介质Green函数，利用Lamb积分公式，结合隧道断面特征，以解析积分法推导了矩形和圆形断面隧道在上述衰减动力荷载下的振动反应，并研究了该荷载作用于隧道底部任意位置时的隧道振动位移反应表达式闭合解、反应时程曲线、瞬态和稳态的振动形态。　　(4)为了获取隧道的边仰坡物理力学参数，采用位移反分析技术对其进行研究。分别针对层状以及均质边坡，分别提出了基于模糊数学以及测斜曲线分析的反分析技术，并给出其目标函数。结合工程实例，计算了的目标函数的敏感度，证明其有效性。根据参数反演的结果，利用FLAC3D软件，利用多滑动面技术，分析隧道边仰坡的稳定性。　　(5)利用有限差分软件FLAC3D建立桥隧过渡段计算模型，分别模拟了不同围岩级别下，桥隧搭接段与邻接段的围岩应力、围岩塑性区、洞周位移及地表位移规律。并比较了不同施工方法（台阶法，侧壁导坑，CRD法）对围岩稳定性的影响，并对扩大基础与桩基础条件下，桥隧邻接段围岩以及桩体自身应力应变规律进行研究，为施工方案的选择提供指导。
作者：	巢万里
专业：	城市轨道交通工程
导师：	王星华
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文