预应力大跨地铁站震害机理与结构优选研究

作     者：付培帅 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐小微

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：预应力大跨度 地铁车站 土-结构相互作用 静-动力人工边界条件转换 混凝土动塑性损伤模型 

摘      要：大跨地铁车站结构采用先进的预应力技术实现大空间,充分利用结构美体现现代交通建筑的特点,为乘客提供舒适的乘车环境,实现地铁车站安全性、可靠性、适用性、经济性和技术先进性有机统一,与传统的双层三跨柱岛式地铁站相比具有更大优势。然而,地铁是人流量集中区域,地铁结构一旦破坏会造成巨大的经济损失,并且地下结构的修复存在诸多困难。因此,对预应力无中柱大跨度地铁站进行地震破坏机理和抗震性能的研究具有重要的理论意义与工程应用价值。本文以预应力大跨度无中柱地铁车站结构为研究背景,考虑车站结构的预应力效应,土-结构的初始应力以及阻尼,基于大型商业有限元软件ABAQUS,用截面等效刚度法将密肋框架结构简化为二维平面应变框架结构,采用粘弹性人工边界,分别在水平和竖向地震作用下进行震害数值模拟,研究了预应力无中柱大跨度地铁站结构的地震反应特性,得出了预应力无中柱大跨度地铁车站在地震时的破坏模式和薄弱位置分布特点。主要研究内容如下：1.介绍了用于进行土-结构动力相互作用分析的土体本构、混凝土动塑性损伤本构模型及其原理;土-结构接触面的数值模型处理方法。2.比较了固定边界、粘性边界、无限元边界、粘弹性边界等边界条件动力特性;分析不同波动输入方式下自由场地的动力特性。在有限元软件ABAQUS中实现了静-动力人工边界条件的转换方法,并验证了静-动力人工边界条件转换方法的可靠性。3采用动塑性混凝土损伤本构模型,用拉压损伤因子描述混凝土在循环荷载下的非线性与疲劳性能,综合考虑了震前土-结构自重应力、钢筋混凝土预应力和地铁车站结构的阻尼效应,对土-地铁结构相互作用系统地进行了地震过程的非线性数值模拟。分析了震害发生时大跨度预应力地铁车站结构动应力反应集中,得出了该类车站结构的破坏过程、破坏形式和抗震薄弱位置,并给出了合理的解释。4将两待选大跨地铁站结构与双层三跨柱岛式地铁站结构进行对比,保证静力作用下安全可靠同时进行了地震响应分析,比较了不同位置加速度响应、裂缝的产生发展、应力响应等因素。综合评价了两个预应力大跨度地铁站的抗震性能,建议了优选结构。