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原文传递地震波斜入射时地铁隧道-土-地上建筑动力相互作用研究

论文题名：	地震波斜入射时地铁隧道-土-地上建筑动力相互作用研究
关键词：	地铁隧道;土体结构;地上建筑;地震波斜入射;频域刚度矩阵法;动力相互作用
摘要：	近年来，随着城市地下轨道交通建设的快速发展，地铁线路下穿地上建筑的情形越来越多，地震作用下地铁隧道与临近建筑的动力相互作用问题已引起学术界的关注和重视。实际地震中，特别是近场震区地震波多以一定的角度斜入射至地面，为研究地震波斜入射下地铁隧道-土-地上建筑动力相互研究，本文通过大型有限元软件ABAQUS建立二维分析模型，采用粘弹性边界及等效节点力地震动输入方法，分析了地震波入射角度对地铁隧道-土-地上建筑动力相互作用的影响。具体的研究内容和结论如下：　　（1）采用频域刚度矩阵法计算任意角度斜入射SV波下的地震动输入等效节点力，通过ABAQUS有限元软件建立基于粘弹性边界的自由场模型，运用算例验证了斜入射地震动输入的准确性；采用ABAQUS建立了地铁隧道-土和地铁隧道-土-地上建筑结构体系地震响应分析模型，采用等效线性化方法模拟土体的非线性，考虑了衬砌和地上框架的材料非线性，通过和文献结果对比验证了分析模型的准确性。　　（2）研究了地铁隧道-土结构体系线性地震响应问题，通过隧道埋深、隧道间距、场地类别、衬砌刚度、输入地震波等因素分析了SV波入射角度对地铁隧道的地震响应。研究表明：隧道埋深对于衬砌动弯矩、动轴力峰值具有显著影响，这种影响与场地类别密切相关；在Ⅱ类场地中地震波以临界角入射时衬砌动轴力峰值可达地震波垂直入射时峰值的2.49倍；隧道间距对于衬砌结构动力响应影响较小，特别是Ⅳ类场地，当dS大于1.5D时，双隧道之间的动力相互作用对衬砌结构动力响应的影响基本可以忽略。　　（3）研究了地铁隧道-土-地上建筑结构体系线性地震响应问题，通过场地类别、输入地震波、地铁隧道-地上框架间距等因素分析了SV波入射角度对地铁隧道的地震响应。研究表明：地上有无框架对衬砌动力影响与入射角度密切相关。特别是Ⅳ类场地，地震波垂直入射时，TSSI体系衬砌动轴力峰值最大比TSI放大了21.4%；地震波30°入射时，TSSI体系衬砌动轴力峰值最大比TSI放大了39.8%。入射角度对TSSI体系和TSI体系的衬砌动轴力峰值影响明显，特别是Ⅳ类场地，在El centro波入射时，有地上框架的衬砌动轴力峰值出现在35°入射。　　（4）研究了地铁隧道-土结构体系非线性地震响应问题，通过隧道埋深、场地类别、输入地震波、地震动幅值等因素分析了SV波入射角度对地铁隧道的地震响应。研究表明：当地震波幅值为0.1g时，隧道埋深对衬砌动力有显著影响，可能会放大也有可能减小衬砌动力响应；在Ⅱ类、Ⅲ类场地衬砌动轴力随着埋深增大而变大；在Ⅳ类场地，埋深大于2D时衬砌动弯矩明显减小。当地震波幅值为0.3g时，入射角度对衬砌动力的包络图形状影响显著，特别是Ⅲ类、Ⅳ场地，在地震波45°超临界入射时，不同埋深的衬砌动轴力包络图形状有明显差异；地震波幅值对衬砌动力影响显著，会改变不同入射角度下的衬砌动力包络图形状；在Ⅳ类场地中，幅值0.1g时衬砌动弯矩在埋深2D最大，但在幅值0.3g时，不同埋深对衬砌动弯矩的影响不明显。　　（5）研究了地铁隧道-土-地上建筑结构体系非线性地震响应问题，通过场地类别、输入地震波、地震动幅值、地铁隧道-地上框架间距等因素分析了SV波入射角度对地铁隧道的地震响应。研究表明：地震波入射角度有无框架对衬砌地震响应影响显；地震动峰值越大，有无框架下衬砌动力响应的放大效应增大。地震动幅值为0.1g时，在Ⅲ类、Ⅳ类场地下，地震波30°入射时，衬砌动轴力峰值最大比TSI分别放大了23.7%、21.8%，而地震波垂直入射时，隧道衬砌动轴力峰值最大比TSI分别放大了15.3%、14.7%；地震动幅值为0.3g时，Ⅲ类、Ⅳ类场地下，地震波30°入射时，衬砌动轴力峰值最大比TSI放大了40.2%、50.4%，而地震波垂直入射时，衬砌动轴力峰值最大比TSI分别放大了14%、17.2%。
作者：	叶国涛
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	周双喜;张季
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华东交通大学
学位年度：	2021