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原文传递黄土地区框架预应力锚杆支护边坡地震动反应及稳定性分析

论文题名：	黄土地区框架预应力锚杆支护边坡地震动反应及稳定性分析
关键词：	黄土边坡;框架预应力锚杆;地震作用;动力模型;地震动稳定性;抗震设计
摘要：	我国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，而这些黄土主要分布于广大西北地区的黄土高原，黄土高原纵横沟壑，存在着大量的边坡，自西部大开发以来，有大量的公路、铁路和城市基础设施要在黄土地区建设，自然而然会遇到大量的边坡工程。历史记载西北黄土地区每次的强震，都会引起严重的地震滑坡。因此，适时地开展地震作用下框架预应力锚杆支护边坡的动力反应和稳定性分析是十分必要的。本文依托国家自然科学基金项目：《永久性柔性边坡支挡结构的地震作用和动力稳定性分析》(50978129)，并结合工程实例，对黄土地区框架预应力锚杆支护边坡的地震动反应和稳定性分析进行了研究，主要针对这一问题进行了理论分析和数值模拟，完成的工作和取得的成果如下：　　 (1)建立了框架-预应力锚杆-土体系统在地震作用下的动力计算模型，这种模型中将预应力锚杆自由段看成一线性弹簧，框架(横梁、立柱和挡土板)和锚杆锚固段通过自由段弹簧连接起来，而锚杆锚固段与土体之间的相互作用处理成一个线性弹簧和一个与速度有关的阻尼器。模型中还同时考虑了框架结构(横梁、立柱和挡土板)对体系响应的影响，即将框架(横梁、立柱和挡土板)亦处理成一个线性弹簧和一个与速度有关的阻尼器。在地震作用下，框架-预应力锚杆自由段-锚杆锚固段-土体之间相互作用，相互协调，在地震过程中，锚杆预应力随着时间发生变化，而预应力的变化通过自由段弹簧传递至锚杆锚固段，锚杆锚固段继而传递至土层。模型中框架结构(横梁、立柱和挡土板)质量和主动区土体质量以集中质量的形式连接在锚杆自由段，并通过自由段弹簧与锚固段阻尼器进行连接。由此分别建立了框架-锚杆系统和锚杆-土体系统地震作用下的阻尼微分方程，并分别求解了在简谐地震作用下锚杆预应力的地震响应和锚杆锚固段轴力的动力响应。最后，结合一工程实例进行了分析，并用ADINA对此计算模型进行了验证。　　 (2)基于土动力学和结构动力学的原理，建立了框架预应力锚杆支护边坡的地震动分析模型，并得到了支护边坡在水平地震作用下的动力响应。依据水平条分法，将边坡高度影响因素考虑进去，建立了地震作用下边坡土压力的动力分析模型。建立支护结构的地震动分析模型时，将锚杆预应力考虑在内，基于集中质量法，以框架柱为计算单元，形成集中质量串，锚杆以弹簧支座形式与土体连接，预应力通过给定的初始设计值施加于锚杆上，据此，建立结构动力控制平衡方程。最后，通过把动土压力、预应力及地震作用施加于框架结构之上，求解出预应力锚杆的轴力响应值，这一模型能够将地震作用中支护边坡体系的土压力分布特性、支护结构的位移反应和预应力锚杆的轴力反应特性近似的表达出来，因而可以为框架预应力锚杆支护边坡的抗震设计提供一定的依据。最后结合一工程实例验证了本文方法的适用性。　　 (3)在考虑锚杆预应力对黄土边坡稳定性影响的情况下，根据土体边坡滑移面的破坏模式，建立了框架预应力锚杆支护边坡的地震稳定性数值分析模型。利用集中质量显式有限元法，将土体离散为土体静动力微元和土体预应力微元，并建立了相应的动力平衡方程，分析了支护边坡在地震作用下的位移反应和滑移面上的应力场。并基于位移反应和土体应力场，提出了框架预应力锚杆支护边坡在地震作用下的稳定性安系数计算方法。　　 (4)以西北黄土地区实际工程为背景，采用有限元软件ADINA对框架预应力锚杆支护边坡在地震作用下的位移、锚杆轴力响应进行了计算和参数分析。考虑框架-锚杆-土体之间的相互作用及协同工作，建立了框架预应力锚杆支护边坡体系在地震作用下的三维有限元模型。模型中以弹塑性模型模拟土体；以双线性弹性模型模拟锚杆；土体与框架(横梁、立柱和挡土板)之间采用接触单元模拟；框架采用双线性弹性模型模拟。通过输入双向地震波，计算了锚杆的轴力响应，并对地震前后锚杆的轴力进行了对比；对比分析了不同烈度、不同工况及不同土体参数条件下支护体系的动力响应，得到了不同因素对边坡地震响应的影响规律。　　 (5)根据相似理论，通过对国内振动台试验方案的分析与研究，以实际工程为原型，将原型和缩尺模型进行相似关系转化，设计了振动台的室内缩尺模型。主要内容包括模型的相似设计、模型箱设计、模型箱的边界处理、试验材料的选取及性能指标的测试、坡体的设计、测点布置、地震动的输入，方案中还对试验加载方法和试验步骤进行了阐述。
作者：	叶帅华
专业：	结构工程
导师：	朱彦鹏
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州理工大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文