天津站交通枢纽工程横向抗震分析（可编辑）

天津站交通枢纽工程横向抗震分析（可编辑） 天津站交通枢纽工程横向抗震分析 摘要 随着我国国民经济的发展,隧道及地下结构的形式和数量日益增多,建设规 模不断扩大,在能源、交通、通讯、城市建设和国防工程等方面获得广泛的应用, 地下结构的重要性也愈加明显,尤其是大型城市地下建筑,一旦遭遇地震,将对 城市发展和国家政治稳定产生重大影响。而对于既有地下结构又有地上结构,且 两者的结构性能差别又比较大时,其情况更为复杂,因而,地下结构与地上结构 相互作用的抗震问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文利用有限元软件对天津站综合交通枢纽工程站后交通广场地铁 、、号线换乘站及其地上的京津城际高速铁路站房进行了结构横向抗震动力 分析。本文主要作了以下几个方面的工作: 进行有限元模型的建立,本文选取车站结构中部第轴,根据梁柱的实 际尺寸建立有限元模型,然后对有限元模型进行模态分析,求得结构的自 振特性。 选取三条地震波分别对结构进行多遇地震作用下的时程分析,计算出结构 受力较大构件,并进行弹性变形验算。 选取三条地震波分别对结构进行罕遇地震作用下的变形验算,得出车站结 构在罕遇地震作用下的弹塑性变形满足规范要求。 第轴地下结构与第轴相同,地上结构为两层三跨,较第轴多两 跨,通过比较这两轴结构顶点位移时程曲线和每层的位移峰值,来分析地 上结构跨数增多对地下结构变形的影响。 地下结构时程分析地震反应变形验算 关键词: 撕 唱 弛.】眦 细鹏 , 谢 锄 .哪印培,.也 锄 仃伍,时仃叩醯 仃 仃.唱 . 切锣 口啦墩 .., 锄 锄 ? 们 姐 舢 弛 .,也 曙丘加, ..‘咖聆. 举.柚 三 眦.’锄衄. 啦锄 仃 印 . 仇. , 船?咖 ..锄 . ?. 】广, 】他撕蛐 印 】 粕. : 缸鹏锄眦 , 印时珊“ , . ? .. 虹, 撕 ?仃 锄仃.。’删 锄 、?山 锄, ’. 锄 仃盱,弛, :,睁衄 ,加诅 独创性声明 本人声明所呈交的学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,.也不包含为获得墨鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 并表示了谢意; 签字日期:坳年孑月甥日 学位论文作者签名:森环?芄 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 ~矿 . 导师签名:?豸?忌炙 学位论文作者签名:春法’阮 签字日期:沏年孑月窈日 签字日期:以可年客月厕日第一章绪论 第一章绪论 .引言 二十一世纪将是地下空间大发展的时代。综观当今世界,有识之士已把地下 空间的发展和利用作为解决城市资源与环境危机的重要措施,是实现可持续发展 的重要途径【。以地铁为例,年,世界最早的地铁一伦敦“大都市铁道”开 通以来,目前全世界已有个国家的个城市拥有地铁:其中线路全长超过 嗵的有五座城市,分别是伦敦,纽约.,巴黎,莫斯科 ,东京.【】。地铁已经成为大城市快速交通的重要组成部分,不但 充分开发利用了地下空间,还很好地解决了城市交通堵塞问题。同时,地铁已经 成为大都市城市化发展的纽带。 .研究目的和意义 地铁车站一般是位于城市繁华地段的,一旦遭到破坏,对城市的发展和建设 是重大的打击。而全世界地震频繁发生,一些重要的城市恰好处在地震多发地区, 如:日本、中国。 以往人们普遍认为,地下结构具有较好的抗震能力。因为过去的震害调查资 料表明:在相同地质条件下,跨度小于米的地下结构的抗震能力一般可比地面 建筑物提高.个烈度等级;跨度较大的地下结构,其抗震能力也可比同类地面 建筑提高.个烈度等级。然而,年月日发生在日本兵库县南部里氏. 级的“阪神地震”,对神户市内的地下铁道、地下停车场、地下隧道、地下商业 街等地下结构造成了有史以来最严重的破坏,阪神地震真正地给地下结构抗震敲 响了警钟钟,迫切要求人们对地下结构的抗震问题有更新的认识,并对地下结构 的抗震闯题加强研究。 神户地铁和历史上发生的大震证明,软土地基会增大地震作用的破坏程度。 天津市区的软土地层较厚,其中浅层普遍存在淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土和易 于振动液化的粘质粉土、砂质粉土和粉砂层等,发生地震时易于加大危害。可见 对在天津地区软土地基中的地铁车站结构和区间隧道,极有必要结合土质条件对第一章绪论 其进行分析理论和设计方法的研究【。 地铁系统系与国计民生相关的城市重要生命线工程,它在地震时的安全性直 接影响到城市的抗震救灾能力,地铁车站结构和区间隧道一旦发生严重震害,不 仅修复代价极高,而且间接损失也将很大。 .地铁车站震害 年日本阪神地震前,世界范围内历次地震中虽有关于地下线形结构及小 型供水系统结构遭受地震破坏的报道,但关于地下铁道震害的报道却非常少 见, 且多属程度较轻的损坏。鉴于此种情况,本文主要介绍年阪神地震造成的地铁 震害【】,其中重点介绍受灾最为严重的神户高速铁路的大开站和市营地下铁道的 上泽站的灾情【】,并提供前人某些关于破坏原因的观点和分析,供地铁抗震设 计研究参考。 神户高速铁路大开站长米,采用侧式站台,在靠近长田站的一侧,大开 站的层标准结构破坏最为严重,大部分中柱几乎全被压坏,中柱倒塌后侧壁上 部外侧因受弯而发生张拉破坏,使上顶板在离中柱左右两侧各.~.处主 钢筋弯曲位置被折弯,顶板位置塌陷,整体断面形状变成了形图?, 侧壁上端加腋部的混凝土出现剥落,在一些位置上侧壁内侧的主钢筋出现弯曲, 使侧壁稍稍向内鼓出。柱子在上端,下端或两端附近发生破坏后,形状都像压碎 的灯笼,轴向钢筋呈左右大致对称状压曲,或表现为向左或向右压曲。中柱下部 或上部发生剪切破坏,轴向钢筋被压曲图.、。致使上项板下沉,在整体 上,大开站属细长箱形结构,地震作用下,中柱上下两端因变形过大而破坏;直 角部位也因结构剪切刚性相对较小而发生变形。 第一章绪论 ?隹 图.神户地震大开车站断面破坏情况 上泽站全长,月台长。震害情况中,层结构和层结构的上层受 害程度都很严重,中柱均出现典型的剪切破坏和斜向龟裂。现象表明线路结 构在 侧壁直角部位受到反复交替的剪切作用,使破坏形式都具有一定的方向性。 下楼 板相对于上楼板的位移向东西侧方向较大。在中柱受灾严重部位,上楼板及 侧壁 出现伴生裂缝。层跨构造在车站长约,以为间距设置的混凝土柱几乎 全部受灾。上层中柱受灾严重,跟中柱有根受灾程度达级完全破坏和 级。下层有两根中柱破坏达级,其余均为?级破坏。跨度较小一侧的顶板, 在侧壁拐角部位出现了贯通顶板的铅直裂缝。受灾最严重的柱子下沉量为。 可见在阪神地震中,地下铁道车站的震害主要形式可归纳为:中柱开裂、坍 塌,顶板开裂、坍塌,以及侧墙开裂,靠近侧墙的楼板的隆起部位有竖向裂纹, 横向裂纹也不少等。震害的主要原斟为: 中柱的损伤差不多都是弯曲或剪切破坏,上下震动引起的轴力变化不 是主要原因; 一般认为只有轴力作用的箱形截面的中柱发生剪切及弯曲破坏是由于 截面的上下层楼板间发生了水平相对位移。这种水平相对位移是由于水平方 向的 地震动引起周围地基沿深度方向的位移差剪切变形。侧壁产生的水平方向的 裂缝及结构拐角部位的破损可以用此来说明: 破坏集中在中柱上是因为设计时只考虑了其承受上楼板的垂直荷载,第一章绪论 抗弯曲、剪切的韧性降低,导致地震时中柱出现过大的向外弯曲和剪切变形。侧 壁及楼板的抗弯曲和抗剪切的变形性能一般要比中柱要高。 .地下结构抗震与地上结构的区别 地下结构在地震作用下,由于周围岩土介质的存在,会发生不同于地面结构 的响应。地震以地震波的形式传播能量,当地震波从基岩传入场地时,土壤介质 在地震波的作用下,会产生运动通常是放大作用,同时将运动传递给地下结 构。对于横截面较小的地下结构如小断面的各种输运管道,在动力荷载作用 下,土一结构相互作用可以忽略;此时地下结构随自由场地土介质一起运动,因 而动应力较小。而当地下结构存在明显的惯性或者土一结构间的刚度失配时,地 下结构会产生过度变形而导致破坏。此时,地下结构与周围岩土介质之间会发生 运动、相互作用和惯性相互作用。考虑动力相互作用对结构体系的影响主要有: 作用在土一结构体系的地层输入运动会发生变化;从结构物向外传播 的波能辐射会增加最终动力体系的阻尼,对于近似弹性半空间的土壤场地,这种 阻尼的增加很明显,导致动力反应急剧降低。 地下结构与地面结构的振动特性有很大的不同,可以对比如下【: 、地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著,结构的动力反应 一般不明显表观出自振特性的影响。地面结构的动力反应则明显表现出自振特 性,特别是低阶模态的影响。 、地下结构的存在对周围地基震动的影响一般很小指地下结构的尺寸相 对于地震波长的比例较小的情况。地面结构的存在则对该处自由场的地震动发 生较大的扰动。 、地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大,地震波的入射方向 发生不大的变化时,地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化。地面结构 的振动形态受地震波入射方向的影响相对较小,例如,即使像拱坝这样的半埋设 结构,也只有正对称和反对称两种基本振动形态,地震波入射方向在某一范围内 变化时,主要只发生正对称的振动,在另一范围内变化时,主要只发生反对称振 动。 、地下结构在振动中各点的相位差别十分明显。地面结构各点在振动中的 相位差不很明显。 、地下结构在振动中的主要应变一般与地震加速度大小的联系不很明显。 对地面结构来说,地震加速度则是影响结构动力反应大小的一个重要因素。 第一章绪论 、对地下结构和地面结构来说,它们与地基的相互作用都对它们的动力反 应产生重要影响,但影响的方式和影响的程度则是基本不相同的。 总的看来,对地上结构和地下结构来说,虽然结构的自振特性与地基振动场 对结构动力反应产生重要影响,但对地面结构来说,结构的形状、质量、刚度的 变化,即其自振特性的变化,对结构反应的影响很大,可以引起质的变化;而对 地下结构来说,对反应起主要作用的因素是地基的运动特性,结构形状的改变。 一般来说,地下结构对反应的影响相对较小,只引起量的变化。因此,在当前所 进行的研究工作中,对地面结构来说,结构自振特性的研究占很大的比重,而对 地下结构来说,地基地震动的研究则占比较大的比例。地下结构和地面结构动力 反应特点的不同,决定了它们抗震分析方法的不同,但是,在六、七十年代以 前, 地下结构的抗震设计基本上还沿用地面结构的抗震设计方法,只是在七十年代以 后,地下结构的抗震设计才逐步形成了本身独立的体系。而且,从七十年代后期 以来,只有在日本,地下结构的抗震设计方法才在隧道、沉埋隧洞以及核电厂等 的抗震设计规范中得到了体现。 天津站综合交通枢纽站后交通广场工程既有地上结构,又有地下结构,在地 震作用下,其地震响应有其自身的特殊性,需要将土一地下结构一上部结构作为 一个体系整体考虑,才能进行合理的分析与设计。 .课题的研究背景 天津是我国四大直辖市之一,南北长约,东西宽约,是北方海 陆交通枢纽和首都的门户。截止年底,天津市常住人口为万人,其分 布特点是市区人口高度集中,市内六区面积仅占全市的.%,而人口却占全市 的.%,市中心最稠密处人口密度高达万人/。密集的常住人口,加上 每日的流动人口,对城市的基础设施和公共服务设施,尤其是对公共交通形成了 极大的压力。 天津市区交通从年代开始趋向紧张,最近几年,通过建成中、外环线, 拓宽条放射线和内环线,市区道路初步形成环形放射状路网系统骨架,对改 善城市交通状况起了十分重要的作用,但市区交通拥挤不堪的局面仍很严重,许 多路口经常阻塞,行车速度较低,公共汽车运行速度平均仅为讹,不少道 路还不到】/。 随着城市经济的发展和区域开发,天津市机动车拥有量平均以每年约% 的速率增长,天津市的非机动车主要是自行车,由于道路狭窄,路网密度低以及 第一章绪论 自行车拥有量不断大幅度的增长,机动车可使用的路面不断减少,公共交通车速 下降,正点率低,加之公共交通线布局不够合理、覆盖面积小、换乘困难等原因, 造成公共交通客运比例逐年下降,自行车与公共交通出行的比例已达:,出 行结构严重失调。 要解决以上存在的交通问题,只有加速快速轨道交通的修建,疏导地面客流, 将部分自行车出行转化为乘地铁出行,这样,天津市交通紧张状况才有可能缓解。 天津站综合交通枢纽工程是集普速铁路、京津城际高速铁路、城市轨道交通、公 交和周边市政道路于一体的特大型综合项目。她的兴建对缓解天津站地区交通拥 挤的局面,形成城市轨道交通骨干网络,构建完善的城市立体交通体系具有 重要 作用。同时,对于形成京津冀城市群和环渤海地区之问的便捷通道,扩大对外经 济联络,推动滨海新区的开发开放和环渤海区域经济的发展意义重大。 .工程概况 天津站综合交通枢纽工程是集普速铁路、京津城际高速铁路、城市轨道交通、 公交和周边市政道路于一体的特大型综合项目。以铁路天津站前后广场为核心, 集中在东至李公楼立交桥,西至五经路,南至海河,北至新开路区域范围内。工 程范围包含站后交通广场、站前景观广场和相关市政交通工程。如图.所示。 天津站综合交通枢纽工程站后交通广场集中了地铁、、号线换乘站、京 津城际高速铁路站房及站后公交枢纽、停车楼等市政配套工程。其整体鸟瞰图如 图.所示。 地铁、、号线天津站位于后广场既有铁路子站房前方地下,其结构平 面如图所示。工程范围包含地铁、、号线车站,地铁、号线联络线, 号线站后渡线,号线站前折返线,由东西向的地铁、号线车站、南北向的 地铁号线车站和、号线联络线合围成三角形,边长分别约,和 ,占地面积约万平方米,地下工程为整体地下三层,局部地下四层结构, 地下一层为地铁,城际铁路和其他市政交通的公共人流集散层,地下二层为地铁 、、号线站厅层,地下三层为、号线站台层和号线设备层,地下四层 为号线车站站台层,地下一、二、三层每层建筑面积约.万平方米,地下四 层建筑面积约.万平方米,地下工程总建筑面积.万平方米。地下三层结 构底板埋身米左右,局部地下四层结构底板埋深米左右,结构覆土最浅处 .。 地上城际站房为地面二层,东西向长,宽~,建筑面积约. 第荜绪论 万平方米,采用钢筋混凝土框架结构,柱问跨距,屋面部分根据需要采用钢 梁或钢绗架,基础直接落在下部地铁、、号车站结构之上。地下出租车接 客区位于紧邻地铁地下结构的北侧,地下一层,与地铁地下一层空间联通,建 筑 面积约 万平方米。 图天津站综台交通枢纽工程平面图 圈.天津站综合交通枢纽乌瞰图第一章绪论 图一地铁、、号线天津站平面图 .本文主要研究工作的方法与内容 本文以天津站交通枢纽结构为背景,在总结和分析国内外地下结构和地上结 构震害和抗震设计方法的基础上,借助有限元软件,计算了车站结构横向地 震响 应。 本文主要工作和研究内容包括: 本文取出车站结构其中一轴建立二维有限元模型。 通过比较取土范围较大的固定边界和取土范周较小的粘弹性边界的地 下结构位移响应时程曲线,确定粘弹性边界能够较好的模拟无限土域。 选取符合场地条件的三条地震对车站结构进行多遇和罕遇地震作用分 析。 通过对地上结构两跨和地上结构三跨时各层最大位移和顶层位移时程 曲线的比较,来分析地上结构跨数增加对地铁车站地震位移响应的影响。 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 因为天津站交通枢纽工程地下车站结构的轴线至?轴线之间横断面 形式变化不大,如图.所示,并且纵向长度和横向宽度之比非常大的结构, 这种长大结构可以按二维平面问题来分析和计算,并且可以取得较好的分析 效果。地上城际站房直接作用于地下结构之上,如图.所示,其横向总宽度 远小于地下结构,且只有两层,整个车站结构地下结构占主要部分,所以下 面主要介绍地下结构横向抗震设计方法。 \ .,。卜\ 、、 ? ? 、 一 ~ 上 上 ? ’ ? : .? 一 一 ? 。?一 『 ?一 一 工 鲁 图一地下结构?轴平面图 . ‖ 、?:?、一掣孑‖ 一一 ::~、 。啊 譬蒌??、 ’苎 ’ ~~ ’:?~ ‘二一 ? ?墨一一? 二二一二二三拿;, 一. ,. , ,一 ??。 芦‘~?一王? ’ ? ?一 : 习 。 ? 【 ,一 ? 一 ? 础 厂” 』‘一一. 自 一 /.一 二严一一鬯 自 。厂,~ ?? , 一 一??一 山 占 。自 ?山 由 , ‘ 图?地上城际站房平面图 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 .地下结构横向抗震计算方法 地下结构横向抗震计算方法主要有等效静力荷载法、反应位移法、平面有限 元整体动力计算法等三种。 等效静力荷载法 等效静力荷载法是将地震中由于地震加速度而在结构中产生的惯性力看作 地震荷载,将其施加在结构物上,计算其中的应力、变形等,进而判断结构的安 全性和稳定性的计算方法。这种方法早年广泛应用于桥梁、多高层建筑物,也用 于重力式挡土墙等结构的抗震设计。 地震荷载由于是针对有质量的各部位产生的,其值用各部位的质量乘以地震 加速度来求得。地震加速度也可以用重力加速度的比值来表示,这样可以将其与 结构重量直接相乘得出地震荷载。 地下结构中,纵向尺寸远大于横向尺寸的线形结构的横断面抗震计算、地下 储油罐的抗震设计中,也用到该方法。这时作为地震荷载,不仅要考虑由于结构 物自重引起的惯性力,还要考虑土的惯性力影响,地震时的动土力:以及内部动 水力等图.。另外,对于大深度地下结构,地震加速度在其深度方向的分布 往往决定了计算结果。因此,地层中的地震加速度的分布如何考虑也是一个 问题。 ????盯 ???? 闰刳 一动土压力 一上覆土的摩擦力 一惯性力 图.地下结构的等效静力法 等效静力法从本质上适合于地震荷载中惯性力部分站支配作用的结构物,如 绝大多数地面结构物,但其也可用于地下结构。当地下结构物的重量比周围地层 重量大许多时,结构物自重的惯性力就其支配作用。另外队于刚度比较大的地下 结构,结构的响应加速度基本上和周围地层地震加速度相等。这两种情况均可以 参照适用于地上结构物的等效静力法。对于较为柔软的地下结构,或不同部位其 响应明显不同的地下结构,可以考虑到结构物的这种对于地震动力响应的特性, 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 对于结构不同部位考虑采用不同的加速度,即所谓的修正等效静力法。总之,尽 管该方法目前己不是地下结构抗震设计的主流方法,但在特定的场合下还得使 用。 反应位移法 地下结构地震中的响应规律与地上结构有着很大的不同,主要一点是地下结 构不会产生比周围地层更为强烈的振动。这里有以下两个原因:首先地下结构的 外观换算密度通常比周围地层小,从而使得作用在其上的惯性力也较小;其次即 使地下结构物的振动在瞬时比周围地层剧烈,但由于其受到土体的包围,振动会 受到约束,很快收敛,并与地层的振动保持一致。目前实施有关地下结构地震时 的响应观测以及模型振动实验等,也均清楚地表明地下结构地震时跟随周围地层 一起运动。因此,可以认为地下结构地震时的响应特点为其加速度、速度与位移 等周围地层基本上保持相等,地层与结构物成为一体,发生振动。天然地层在地 震时,其振动特性、位移、应变等会随不同位置和深度而有所不同,从而会在对 处于其中的地下结构上产生影响。一般来说。这种不同部位的位移差会以强制位 移的形式作用在结构上,从而使得地下结构中产生应力和位移。 反应位移法 就是根据上述地下结构在地震中的响应特 征而开发出来的计算方法,世纪年代初期,在地下管线及隧道等线形地下 结构纵断面方向抗震设计方法中首次使用了该方法。当时把线形地下结构模型化 为支撑在弹性地基弹簧上的杆或梁弹性地基梁。地基弹簧是考虑到结构刚度 与地层刚度的不同,而定量表示两者问相互影响作用时引入的单元。作用在结构 上的地震力,就是通过这一弹簧单元施加的。首先设定沿结构物轴线方向产生的 地层位移分布位移差,然后根据这一位移分布位移差。在地层弹簧的端部 施加强制位移,求得结构纵向应力和变形。世纪年代后期,反应位移法又 用于大规模地下结构横断面方向的抗震计算中。这时将地下结构的横断面模型化 为框架式结构,周围施加上地基弹簧,将结构深度方向的位移差作为地震荷载施 加在弹簧上。 由于反应位移法主要是规定地震时周围地层的变形为地震荷载,设计时使用 的地层变形根据具体的地质条件沿地下结构的纵向或者横断面的深度方向进行 设定。此时需要按照设计规范进行确定。或者进行地层动力计算来求得位移值。 平面有限元整体动力计算法 平面有限元整体动力计算方法是将地层、结构体系分别根据其动力响应特 征,以合适的力学模型离散化,生成网格体系,对整个体系输入设计地震波形, 计算整个力学模型每时每刻的响应,从而求得作为对象的结构物在设计地震波作 用下各部分的应力、变形的时间历程。作为动力模型,可以是有限元模型、质点第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 弹簧以及框架模型等。主要还是将地层、结构物的质量、刚性、阻尼衰减等各种 特性公式,在外荷载地震力作用下,求解运动方程式,可得出地下结构物的 响应。 利用有限元动力分析方法来进行地下结构的抗震计算,其意义在于,与等效 静力法、反应位移法等静力分析法相比较。该方法能较为详细地反映周围地层的 动力特征,从而使抗震计算的结果更精确。尤其是对线形结构物纵向地形或地层 结构变化较大,而使得地层震动性能也大幅度变化时,动力有限元方法比较好。 但另一方面,动力解析时生成动力分析的模型所需要大量的特殊数据,花大量的 时间【引。 .确定性动力分析时程分析方法 目前,对一些重要工程和特殊结构,为了了解其在整个地震过程中的动力行 为,需要使用时程分析方法。时程分析法直接从运动微分方程出发,用数值方 法 逐步积分,可以获得结构在整个地震作用中的运动状态变化情况。因此时程 分析 法又称直接动力法。 有限元法对质点运动的时间过程作不同的假设,得到的时域算法又可以有多 种,常见的有、砌破法,叩.法,中心差分法等。 本文采用.法求取地震反应,?法是一种逐步积分法, 它是对线性加速度的一种修正。其两个主要假设为【】: 、假定时间步长内的加速度呈线性变化; 、假定时间步长内结构的刚度和阻尼特性不变。 它应用如下假定: 一 疗?西?一万舀撕? 材?豁,兹???.一口露?口友? . 其中,口、万是按照积分的精度和稳定性的要求可以调整的参数,对以上两 式稍作变换,即得到增量形式: ? ?五??西丛硪? ?甜??二?西讼?拼? 、 , 、 , 、, 、 , 二 变换式得 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 崩士材,地三应豇础猷,础 将.式代入?式,得 协, 酬?去小删一却一寺书 出时刻动力平衡方程的增量形式为: ? ?西?蚴??”??,,? 式中,、、分别为体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。将.、 ?式代入?式并整理,可得到仅关于未知量?“血的方程: 二??“??‘? 其中 %砉击 ”?叫沪忡??知诎去书 由此解出?“?后,利用?、式及?式可求得?时刻 的谏摩和付移反应信,代回动力平衡方稗求得加谏摩。 .动力分析中阻尼的确定 阻尼是指使振动衰减或使振动能量耗散的作用。单元的阻尼力理论非常 复杂。一种阻尼是与质点的速度或应变率相关的,称为粘性阻尼,其阻尼力 与质点运动速度成正比,方向与速度方向相反。通常外界粘性介质作用可简 化为此情况。粘性阻尼表达式为:,。? 若单元阻尼系数为常数,且为均质材料,则单元阻尼矩阵正比于单元质 量矩阵。 另一种阻尼与应变速度成正比,方向与应力方向相同。通常材料内摩擦 引起的结构阻尼可简化为此情况: 一 。 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 若单元阻尼系数为常数,则单元阻尼矩阵正比于单元刚度矩阵。 若阻尼作用为上述两种阻尼,则单元阻尼矩阵为: ‖?,矿 。,。‖??矿 ~ % 理论上可按上式建立单元阻尼矩阵,然后集成总体阻尼矩阵。但事实上单元 阻尼系数“和‖:是很难确定的,且一般情况下依赖于频率。 在相互作用问题中,上部结构和地基土体分别具有不同的阻尼比。不能 用瑞雷阻尼表示,故在进行相互作用分析时采用材料阻尼,对每一种材料分 别采用相应的阻尼,并在单元一级上形成阻尼矩阵,即采用:】;屈】;, 其中屈茧/缈,对旨的是单元的编号,善,是相应单元的阻尼比,缈是整个计 算系统的基本频率【】。形成单元的阻尼矩阵以后,用与组集总体刚度矩阵同 样的方法形成系统的总阻尼矩阵,实现结构和地基不同阻尼的输入。 以后的计算中上部钢筋混凝土框架结构取.,对于地基土体取 .,桩基阻尼比取为.。 .地震波的选择与调整 ..地震波的选择 在用时程分析法进行结构抗震设计时。除要给出必要的结构参数外,还 需确定相应的输入地震波。从单元运动微分方程可以看出,应将地面运动加 速度时程作为输入地震波。结构的地震反应,不仅取决于结构本身的动力特 性,同时也决定于输入地震波的特性:地震波的幅值、频谱特性和持续时间。 由于地震波的选择不同,致使计算结果相差数倍,甚至十几倍之多。所以如 何选择地震波,计算结果如何调整,十分重要。选择地震波时,要考虑建筑 场地和可能遭遇的地震情况。但是由于地震是一个突发的随机过程,即使在 同一地点,来自同一震源的先后两次地震所造成的地面运动也不会完全相 同, 何况对于一个建设场地可能遭受的地震影响一般来自不同的震源;另一方面 由于场地类别的判别具有很大的模糊性。所以真正意义上的相同场地是不存 在的。研究表明:在相同烈度下,在所谓同一类别的场地上所测到的地震加 速度记录,无论是峰值、波形、频谱和持续时间都可能不同。因此,用于时 。 程分析的地震波必须具有统计意义并与抗震设计规范协调【, 通常人们用加速度时程曲线的峰值作为地震动幅值特性的指标,因为从 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 统计意义上它反映了地震烈度的大小。频谱特性是指地震波所包含的频率成 分,它与场地条件和震中距离有关,工程上常用加速度反应谱的形状来描述。 至于地震动的持续时间,则对结构的弹塑性反应有重要的影响。 为了能真实地反映地震对建筑物的作用,如有可能应该选取该建筑物所 在场地的天然地震记录作为输入地震波。但是由于强震不是经常发生的,并 且观测仪器也不可能捕捉到每一个地震记录。为了弥补天然地震记录的不 足, 常常不得不采用人工模拟的加速度时程曲线??即人造地震波。抗震规范要 求:采用时程分析法计算地震反应时,宜按烈度和场地条件选用若干条实际 地震记录或人工模拟的加速度时程曲线。 选择天然地震记录时,首先要考虑地震与所考虑抗御的地震有较好的相 似性,有足够大的幅值,且其峰值加速度与设计烈度相当;其次,记录地点 的土质条件与建筑地点土质条件相近。 ..地震波的调整 . 峰值调整 将地震记录的加速度值按适当的比例放大或缩小,使其峰值加速度等于 事先所确定的地震加速度峰值,即令: . 口‘妻口 其中:口为记录的加速度值;口‘为调整后的加速度值;以为事先所确定 的地震加速度峰值;么。为记录的加速度峰值。 / 表一 地震波加速度时程曲线的最大值 地震影响 度 度 度 度 多遇地震罕遇地震 这种调整只是针对原纪录的强度进行的,基本保留了实际地震记录的特征。 时 程分析所用的地震波加速度时程曲线最大值如表?。 频率调整 考虑到场地条件对地震地面运动的影响,原则上所选择的实际地震数据 记录反应谱的卓越周期乃至形状,应尽量与场地上相应谱的特性相一致。如 果不一致,可以调整实际地震记录的时间步长,将记录的时间轴“拉长”或 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 “缩短”,以改变其卓越周期,而加速度值不变。也可以用数字滤波的方法滤 去某些频率成分,改变谱的形状。另外,为了在计算中得到结构的最大反应, 也可以根据建筑结构的基本自振周期,调整实际地震记录的卓越周期,使二 者相接近【,】。这种调整的结果,改变了实际地震记录的频率结构,从物理 意义上分析是不合理的。 . 持时调整 如前所述,地震动持时对结构反应的影响,主要发生在反应的非线性阶 段。故所选择的强震持时应能保证结构的振动进入稳态阶段。如果仅对结构 进行弹性分析或弹塑性最大反应分析,持时可以稍短些:如果计算地震作用 下结构的耗能过程,则持时宜长些。不论持时长短,均应保证在持时段内包 含地震记录的最强部分。一般取整个记录的时间长度为结构自振周期的一 倍以上比较合适。 .地下结构横向地震反应分析的边界条件 采用有限元方法分析地震荷载作用下的地下结构时,作为有限元计算模型不 可能取无限大区间,需从半无限的地球介质中切取出感兴趣的有限计算区。 在 .切取的边界上需建立人工边界以模拟连续介质的辐射阻尼,保证由结构产 生 ‘的散射波从有限计算区内部穿过人工边界而不发生反射。建立人工边界的 方 法,可以广义地分为两大类:精确边界和局部边界。第一类方法使人工边界满 足无限介质的场方程、物理边界条件和辐射条件。这类边界在有限元的意义 上是精确的,并能设置在不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 构造物和周围介质的界面上。这类精确方法 在许多场合下是有效的。然而,除了其他局限性外,这类方法最大的缺点是 使人工边界上所有节点运动耦联,这将导致对计算机存储量提出更高要求并 耗费较长的计算时间。而局部边界的显著特征是其良好的使用性,人工边界 上任一点的运动与其他节点除邻近节点外解耦,因而计算机存储量小, 计算时问短。现在比较成熟的人工边界有以下几种:粘弹性边界、一致边界、 叠加边界、旁轴边界、透射边界、动力映射无限元等。在这些边界中,透射 边界具有较高的精度。 这里将详细介绍一种直接方法一粘一弹性人工边界。结构一地基动力学 相互作用问题分析中引入的人工边界一般是在假设边界上不存在能量反射 的 前提下推导出来的,例如粘性边界。下面将采取与粘性边界推导过程类似的 方法,在假定外传波形式的基础上推导人工边界条件。 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 在实际问题种,由局部不规则区或结构基础产生的散射波一般存在几何 扩散,因此,对散射波采用柱面波二维问题或球面波三维问题假设 更合理。下面将采用柱面波模拟射向无限介质的散射波。极坐标中出平面柱 面波运动方程为 ?五 旺叫 矿副,【矿 窘弘陪剖 其中,为介质的出平面位移,为剪切波乞?而,为剪切模量,为 质量密度。对于从坐标原点射出的柱面波可以采用如下形式的解 彬嘉小一刊 由式.和剪应力计算公式,:跏/务可得介质中任一点的剪应力为: 七力一岛小一冉专小剖 协四 其中,表示对括号内变量的导数。任一点的速度可表示为 ’, 掣掣:厂一二 ‘??;一?‘歹。一??, 将式一,?代入.可得任一半径%处以半径无为外法线的 微元面上应力同该处初速度和位移的关系为 . 如丢咐一以掣 可以看出,如果在半径吒处截断介质,同时在截断的边界上施加相应分布的 物理元件一粘性阻尼器和线性弹簧墨,即;以 邑/屹 之后,在边界,.吒上人工边界的条件与式.的完全相同。如果能精 确确定波源到人工边界的距离,,可以由式.确定人工边界所施加的物理 元件的系数,这样就可以完全消除散射波在人工边界上的反射,即可以精确地模 拟波由有限域向无限域的传播。在这里我们把以上由粘性阻尼器和弹簧联合构成 的人工边界成为粘一弹性人工边界??血 ,如果忽略弹簧, 这一边界即退化为的粘性边界? 巧。粘一弹性人工边界 可以较容易地合并于一些大型通用程序中。粘一弹性人工边界的特点是不但可以 模拟散射波由有限域向无限域的传播,同时也模拟了人工边界外地球介质的弹性 恢复性能。因此,采用这一人工边界即可进行地震作用下土一结构动力反应计算 分析,也可开展土一结构系统的模态分析。 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 由于在人工边界推导时采用了柱面波的假设,可以预计在实际使用中如果采 用圆弧形人工边界可以获得较好的模拟精度。但考虑到在土一结构动力相互 作用 有限元分析中采用平直的人工边界更方便虽然这样会损失一定精度,下面仅 研究波在平直人工边界上的反射系数。 入射波仍采取方程.给出的形式, . 厂 彬?七 当嵋,.,以角度臼入射到一平直人工边界上时,将产生反射波%,,,根 据镜像原理,反射波有如下形式 %,.’,:名竹,, 式.中为圆频率,和分别表示入射波和由人工边界引起的反 射波的幅值系数。在这里,为表示方便,对入射波和反射波采用了不同的坐标 系 ,.和,.,两个坐标系的原点关于人工边界对称,因此反射波的形式与入射波 的形 式是相同的。总波场,,为入射波和反射波之和, ,.,,,,%, 人工边界上, %,式?代入式.得到人工边晃条件为 协, %一若慨卜去一刊? 而入射波和反射波在人工边界面上产生的应力分别为 彩, %,警 。秒一彳砉去期。蚀州?幢 ?, ‰乱惕脚杀》一九 在人工边界上,由入射波和反射波产生的应力应满足边界条件 ? %%% 将式和.代入式.经整理后得人工边界得反射系数 曰/彳为: ? 只一/秒 式.给出波得反射系数,即粘一弹性人工边界的反射系数随入射 角目的增大而增大【”一】。虽然表面上看粘弹性人工边界与粘性人工边界的精度相 第二章地下结构横向地震反应分析方法原理 同,但是,由于推导粘一弹性人工边界时对散射波场的假设更符合实际情况,因 此实际上粘一弹性人工边界的精度一般高于粘性人工边界,本文采用粘弹性人工 边界。在设置人工边界时,粘性阻尼器与散射波源到人工边界的距离与吆无关, 但弹簧的刚度与之相关。实际问题中散射波源并不是一个点源,而是空间分布的 线源或面源,因此磊只能在平均意义下选取,在本文的计算中,为程序操作方便, 在每一条平直的人工边界上均取同一值,并简单地取为结构跨度中点到人工边 界的最短距离。具体程序操作将在第四章中讲述。 .小结 本章主要详细介绍了地下结构横向地震响应的有限单元法计算原理。 介绍了地下结构横向抗震设计方法和时程分析中砌血.法求 取地震反应的计算步骤。 ‘介绍了阻尼理论和地震波的选取及峰值调整方法。 介绍了模拟地震能量向两侧方向无限远处逸散的粘弹性边界的原理。 第三章地铁车站结构横向地震响应模型的建立 第三章车站结构横向地震响应模型的建立 .概述 因为车站结构的轴线到轴线之间横断面形式变化不大,并且纵向 长度和横向宽度之比非常大的结构,这种长大结构可以按平面问题来分析和 计算,并且可以取得较好的分析效果。本文选取车站地下结构和地上结构的其 中一轴进行横向地震响应模型的建立。简化的平面计算模型采用如下基本假定: 平面抗侧力结构假定 一片框架在其自身平面内刚度很大,可以抵抗在本身平面内的侧向力;而在 平面外的刚度很小,可以忽略,即垂直于该平面的方向不能抵抗侧向力。因此, 整个结构可以划分成不同方向的平面抗侧力结构,共同抵抗结构承受的侧向水平荷载。 刚性楼板假定 水平放置的楼板,在其自身平面内刚度很大,可以视为刚度无穷大的平板: 楼板平面外的刚度很小,可以忽略。刚性楼板将各平面抗侧力结构连接在一起共 同承受侧向水平荷载。 .模型的建立过程 ..典型的车站结构横向计算框架选取 因为车站结构的轴线到轴线之间横断面形式变化不大,如图. 所示,地铁车站结构的横断面计算单元可沿结构纵向取为一轴,宽度取一跨 宽度,经过仔细分析,本文在计算过程中,选取一个典型的横断面为:地铁 车站的轴线到轴线的.剖面,如图.所示。第三章地铁车站结构横向地震响应模型的建立 \ \ \ \ \ \ 卜 \ \、 、 、 . 、 ? 删 五 五 翱? 畸 瑚 ? ? 两 蓟旺商 茄门葛 岛一油仁两一裔丘 ’ 矗旺虱一压 节石淦一高 两 商 一矗 魂一备巨萌厅矗 雨‘ ? 高丘商‘商 图.地下结构轴平面图 品 埘 一 ? 加 /////////////////////////////////////////////////// ////////////,, ,/’ ? 一 一 ‘董 . ’ 。 盘 ? 『。 。 暑 。 窿‰。 量 ?.盟‰ ? ? 监 ? ? 面图 体结构为钢筋混凝土矩形框架结构,地下部分为三层七跨,地上部 分为两层,横向柱网尺寸为......., 构 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .有限元法车站结构计算简图的确定第三章地铁车站结构横向地震响应模型 的建立 地上部分横向柱网尺寸为.,纵向柱距为。如图.。 工程材料 地下连续墙、钻孔灌注桩为防水钢筋混凝土,抗渗等级;项板、边 墙和底板以及顶、底板纵梁为防水钢筋混凝土,抗渗等级;中板、中纵 梁及中隔墙为钢筋混凝土;钢管混凝土中柱为钢筋混凝土;地上结构 梁柱为钢筋混凝土,现浇板为为钢筋混凝土;钢筋等级采用】、 热轧钢筋。 地质条件 地铁天津站站位于第四系全新统人工填土层人工堆积、第陆相层 第四系全新统上组河床~河漫滩相沉积、第海相层第四系全新统 中组浅海相沉积、第陆相层第四系全新统下组沼泽相沉积层、 、第?陆相层第四系上更新统五组河床~河漫滩 河床~河漫滩相沉积 相沉积、第海相层第四系上更新统四组滨海~潮汐带相沉积、 第陆相层第四系上更新统三组河床~河漫滩相沉积、第?海相层第 四系上更新统二组浅海~滨海相沉积、第陆相层第四系上更新统一 组河床~河漫滩相沉积、第?海相层第四系中更新统上组滨海三角洲 相沉积。 重力荷载代表值的计算 据抗震设计规范,计算地震作用时,建筑的重力荷载代表值应取结构和 构配件自重标准值和可变荷载组合值之和,结合该结构实际情况,可变荷载 的组 合值系数取为.。相应地,要对模型施加总质量与二分之一活载质量,总质量 取结构自重,考虑程序的特点,将二分之一活载对应的质量折算成梁的 附加密度的方式近似施加。地面活荷载按【计算;站厅、站台上人群活荷载 标准值按计算。 计算尺寸的确定 本文选取第轴建模计算,纵向计算宽度取米,即沿轴线方向向两侧分 别取.米,横向计算宽度为.米,梁柱截面尺寸按实际截面输入,下面对 梁柱单元按截面属性编号,如图?所示,梁柱截面属性列于表.中。第三章地铁 车站结构横向地震响应模型的建立 图?梁柱编号图 表.梁柱截面属性 活载折算的 密度 截面高度 截面面积 惯性矩 梁编号 附加密度 弹性模量 耐 / .× 。 。 . .×’ . . . .×’ . . . .× . . . .× . . . .× . . . .×’ . . ..× . . . .× . . . .× . . . .× . . . .× . . . .× . . . .× . . . . . . .× . . . .×’ . . . .× ..钢管混凝土柱的计算 随着对钢管混凝土构件试验研究的深化和设计方法的完善,钢管混凝土结构 在大型地下结构、高层建筑中的应用日趋广泛。本工程地下结构部分柱子全 部采第三章地铁车站结构横向地震响应模型的建立 用钢管混凝土柱。钢管混凝土柱与钢、型钢混凝土、钢筋混凝土柱相比较,均具 有~定优越性,其突出优点如下: 、承载力高; 、塑性和韧性好。钢管混凝土柱受轴压比影响较小,柱与框架梁的混凝土 不必连续浇灌,两者混凝土的强度等级差所受限制范围相对较宽; 、施工方便。钢管兼有竖筋和箍筋作用,省去钢筋骨架和模板,还可兼作 施工支撑体系的立柱,施工简便,因管内无钢筋,浇灌容易,振捣密实; 、经济效果好。 此外,钢管混凝土柱也有其弱点,如钢管混凝土柱的耐火性能明显低于钢 筋混凝土柱和型钢混凝土柱。 具体讲,钢管混凝土短柱的极限荷载大于空钢管和核心混凝土两者极限承 载力之和,大致相当于核心混凝土的承载能力与两倍钢管承载能力之和,而极限 应变远远大于普通钢筋混凝土,足见钢管混凝土是延性极好的构件。当钢管混凝 土柱长细比很大时,空钢管柱较灌入混凝土后的钢管混凝土柱承载力大约低 %,核心混凝土的存在主要影响构件的屈曲模态,从而影响构件的稳定承载力。 钢管混凝土复合材料与普通的材料不同,普通钢筋混凝土的共同作用 主要是依靠握裹力来实现的,而钢管棍凝土除了握裹力外还存在着钢管对曹 内混 凝土强有力的约束,正是这种三维的约束使得管内混凝土的受力性能大幅度改 善。钢管混凝土的工作原理是这样的:在钢管混凝土受力较小时,混凝土处于弹 性状态,泊桑比为.左右,钢管和混凝土之间的泊桑比差别较大,主要依靠 握裹力来实现共同工作。当混凝土应力子足/时,混凝土处于弹塑性状态,混 凝土的横向变形系数将显著增大,直至与钢材泊桑比接近,此时,钢管对其横向 约束作用明显加强,使之强度得到提高。这就是所谓的套箍作用。 由于钢管及其内部混凝土的相互作用,当复合截面受力时,就会产生三向应 力,即纵向、环向和径向应力。把钢管及管内混凝土作为一个整体进行计算,程 钢管混凝土仅采用一个弹模值二,我们暂且称之为单弹模法,根据水利电力部 《规范》,我们可采用另外一种办法来进行内力分配,这种方法就是钢管混凝土 . 作为一个整体采用两种不同弹模,由 %。如疋以毛 求得%。。 由 . %:彳曲 己混凝土弹性模量, 求得%:。式中乞为钢管弹性模量,为钢管面积, 为混凝土面积。 然后,在内力分配公式中的相应位置用%。,或%:来代替%,与外包混第三章地铁车站结构横向地震响应模型的建立 凝土进行内力分配,我们把它称为双弹模法这种方法的运算结果与单弹模法相 比.钢管及管内混凝土应力偏大,外包混凝土应力偏小.但差别不是十分显著。此 外,根据钢管及混凝土变形协调,我们还可以把钢管换算成混凝土,求出钢管处 混凝土应力,钢管应力即为该处混凝土应力乘以系数/,我们把它称为变形 协调法此法在某钢管混凝土劲性骨架肋拱桥的理论应力计算中的应用,效果并 不理想,这种方法不考虑钢管及混凝土间的相互约束作用,计算结果误差大。 在实际工程的理论应力计算中,我们尝试了采用三种方法进行计算,并与实测值 比较,结果表明,单弹模法效果最好。其取值方法如下: ? %.×一邑×】 其中,×砌,为钢管壁后,为钢管外径,取值为.~.,低于 .按.计,高于.按.计【制。 柱子、’外径为聊研,钢管壁厚聊朋,..,取 .,计算如.×?。,柱子外径为朋批钢管壁厚聊所, 夕:..,计算厶。×飞哦。 .土层的划分 本文根据地质勘查报告,取.剖面附近钻孔地层柱状图,将计算范围土层 ,’,。 划分如表?所示。土的弹性模量由公式一?巨计算,为压缩模量, 一‖ 由于室内压缩试验测定压缩模量时有各种无法考虑到的因素,使得上式不能 准确反映弹性模量和压缩模量。之间的关系,根据统计资料可将弹性模量的 最终取值在上述公式计算结果的基础上再提高倍左右。在实际建模过程中, 土 体采用如下假定: 土介质水平成层半空问,每一层土都是由一系列相互独立、水平方向 无限伸展的薄层组成,即引进平面应变的假定; 每一层土为均质、各向同性体,即每层土性质相同,但可随土层不同 而改变,最下层土覆盖在刚性基岩面上:动力作用下,各层土之间不发生脱离 和 相对滑动,即界面满足位移协调的条件。第三章地铁车站结构横向地震响应 模型的建立 表土体分层静力参数表 土层标 土层深土层厚 密度 泊松比压缩模量 弹性模量 内摩擦 粘聚力 土层名称 口 ?巴 号 度 度 角。 ‖ . .. . 素填土 . ? . . . . 粉质粘土 . . . ? . . . 粉土 . . . . ? . . . 粉质粘土 . . . . ? . . . 粉土 . . 。 ? . . . 粉质粘土 . . . . ? . . . 粉质粘土 . . . . ? . . .. . . ?