【摘要】：我國西部、南部山區(qū)處于歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶,地震活動(dòng)比較頻繁,近現(xiàn)代以來地震頻發(fā)。由于山區(qū)特殊的自然環(huán)境及復(fù)雜的地質(zhì)條件,近年來我國在該地區(qū)興建了大量的橋隧相連工程。這其中,橋隧搭接結(jié)構(gòu)由于其工程上的特殊性,在地震作用下的抗震設(shè)防仍是目前亟待解決的一項(xiàng)重要課題。國內(nèi)外鮮有學(xué)者對(duì)其損傷效應(yīng)等方面進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究,阻礙了橋隧搭接結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防的工程技術(shù)發(fā)展。因此,開展對(duì)橋隧搭接結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析,對(duì)于地震作用下橋隧搭接結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)研究和抗震設(shè)防措施具有重要的意義。依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于累積損傷效應(yīng)的橋隧搭接結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)研究”(編號(hào):51408617),以我國西南地區(qū)橋隧搭接結(jié)構(gòu)為工程背景,在閱讀了大量國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)地震作用下高速鐵路橋隧搭接結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng),開展了相關(guān)的理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。本文開展的主要工作及研究內(nèi)容如下:基于材料損傷理論,通過對(duì)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析,探明了在地震作用下橋隧搭接結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,并揭示了其動(dòng)力損傷破壞機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬,對(duì)橋隧搭接結(jié)構(gòu)在無損和受損狀態(tài)下的對(duì)比研究,進(jìn)一步探明了其隧道襯砌段和橋梁段的剪應(yīng)力變化規(guī)律,并揭示了其損傷機(jī)理。數(shù)值模擬結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果非常吻合,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。1.考慮地震效應(yīng)的混凝土結(jié)構(gòu)損傷理論及分析方法(1)基于損傷變量的定義,探討了應(yīng)變等價(jià)性假設(shè)和應(yīng)力等價(jià)性假設(shè)在混凝土材料損傷分析中的應(yīng)用。(2)基于混凝土復(fù)合材料損傷理論,分析了在壓縮過程中隨著混凝土材料中孔洞體積的減小,其壓縮抗力會(huì)隨著變形的增大而減小的影響效應(yīng)。(3)基于Resend的混凝土損傷分析理論,探討了壓縮損傷和拉伸損傷過程中混凝土材料的損傷本構(gòu)方程的一般形式。(4)探討了在對(duì)混凝土單元進(jìn)行損傷分析時(shí),損傷彈性模量E=E(1-D)在各計(jì)算單元中的確定方法,從而可有效地實(shí)施橋隧搭接結(jié)構(gòu)地震損傷的數(shù)值模擬分析。2.振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究(1)基于相似理論和試驗(yàn)條件確定了主要物理量的相似常數(shù),并依據(jù)試驗(yàn)研究目的,設(shè)計(jì)并制作了相似比為1:30的高速鐵路橋隧搭接結(jié)構(gòu)模型。(2)在確定相似比的基礎(chǔ)上,通過配比試驗(yàn),確定了模型的微混凝土的相似材料參數(shù)以及模擬Ⅳ級(jí)軟弱圍巖的材料配合比,并配制了模擬Ⅳ級(jí)軟弱圍巖的試驗(yàn)材料。(3)根據(jù)試驗(yàn)研究的目的,確定了試驗(yàn)所用模型箱的類型。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,所用模型箱箱體邊界反射問題帶來的試驗(yàn)誤差,確定了模型試驗(yàn)的邊界處理方法。(4)依據(jù)振動(dòng)臺(tái)對(duì)地震波輸入的適應(yīng)性和可靠性,以及試驗(yàn)研究的目的,分別選取了El Centro波、汶川波和Taft波做為試驗(yàn)輸入地震波。并對(duì)未滿足振動(dòng)臺(tái)適應(yīng)性的輸入波進(jìn)行了濾波處理。在綜合考慮了地震波類型、激震強(qiáng)度、加載方向以及順序等因素的基礎(chǔ)上,確定了合理可行的地震波加載工況。(5)根據(jù)試驗(yàn)研究的目的以及試驗(yàn)室設(shè)備條件,對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)進(jìn)行了合理的布置。分別測(cè)定了在不同工況條件下,橋隧搭接結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)加速度等動(dòng)力響應(yīng)。(6)通過對(duì)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析和研究,對(duì)高速鐵路橋隧搭接結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了探討,對(duì)地震作用下,高速鐵路的動(dòng)力損傷破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上,對(duì)橋隧搭接結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防措施進(jìn)行了深入的研究。3.數(shù)值模擬研究(1)根據(jù)模型試驗(yàn)和實(shí)際工程,建立了橋隧搭接結(jié)構(gòu)3D數(shù)值模擬模型。(2)對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。(3)基于結(jié)構(gòu)損傷理論,通過改變損傷彈性模量E=E(1-D),對(duì)橋隧搭接結(jié)構(gòu)無損和受損狀態(tài)下的剪應(yīng)力進(jìn)行了分析。通過上述研究,取得了以下研究進(jìn)展和創(chuàng)新結(jié)論。(1)探明了在不同加載方向的El Centro波作用下,橋隧搭接結(jié)構(gòu)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)加速度響應(yīng)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,地震波在水平方向的雙向加載疊加作用時(shí),具有最大的疊加放大效應(yīng)。(2)探明了在相同烈度不同種類的地震波作用下,橋隧搭接結(jié)構(gòu)的動(dòng)加速度響應(yīng)變化規(guī)律。研究表明,不同的加載波對(duì)加速度響應(yīng)的變化規(guī)律幾乎沒有直接影響,僅對(duì)加速度峰值產(chǎn)生了細(xì)微的差異。(3)揭示了橋隧搭接結(jié)構(gòu)在不同激震峰值地震波作用下,其加速度變化規(guī)律呈現(xiàn)出三階段損傷破壞的機(jī)理。(4)探明了橋隧搭接結(jié)構(gòu)在X向汶川波不同激振峰值地震作用下,隧道部分的動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),擴(kuò)大段和隧道結(jié)構(gòu)的縱向動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)要明顯大于其環(huán)向動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)。(5)在無損狀態(tài)中,不同激震峰值的地震波作用下,橋隧搭接結(jié)構(gòu)隧道襯砌剪應(yīng)力呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì),僅在剪應(yīng)力的大小有著明顯差異,但整體所受剪應(yīng)力是隨著激震峰值的增加而不斷增加的,且在拱肩處剪應(yīng)力增加最為明顯。(6)在相同激震峰值地震波的作用下,橋隧搭接結(jié)構(gòu)隧道襯砌在受損狀態(tài)下與無損狀態(tài)下的剪應(yīng)力變化規(guī)律是相似的。但是,隨著有效彈性模量E(即受損傷后的彈性模量E)的減小,襯砌部分的剪應(yīng)力隨之減小。(7)在無損狀態(tài)和受損狀態(tài)下,橋隧搭接結(jié)構(gòu)橋梁段剪應(yīng)力均呈現(xiàn)出兩段小,跨中大的變化趨勢(shì)。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)間范圍并不會(huì)隨激震峰值的增加和損傷程度的增大而增大,僅在剪應(yīng)力數(shù)值上有著明顯的增幅。而且,損傷程度越大,剪應(yīng)力增幅越大。上述研究結(jié)果為建立橋隧搭接結(jié)構(gòu)的地震損傷分析理論奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ),也為橋隧搭接結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防提供了理論依據(jù)。研究成果不但具有重要的理論意義,也具有廣闊的工程應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

邐地震作用下高速鐵路橋隧搭接結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)研究逡逑圖３．１多功能振動(dòng)臺(tái)逡逑Ｆｉｇ．３．１邋Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｈａｋｉｎｇ邋ｔａｂｌｅ逡逑中南人學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室多功能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)逡逑行控制，如圖３．２所示。逡逑圖３．２多功能振動(dòng)臺(tái)ｆｅ制系統(tǒng)逡逑Ｆｉｇ．３．２邋Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｓｈａｋｉｎｇ邋ｔａｂｌｅ逡逑振動(dòng)臺(tái)平面最大尺寸為４ｍＸ４ｍ，下設(shè)有三方向六自由度液壓系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行逡逑力矩補(bǔ)償和加速度傳動(dòng)，由ＰＵＬＳＡＲ對(duì)每個(gè)自由度進(jìn)行Ｐ１Ｄ控制。該多功能振動(dòng)臺(tái)逡逑試驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)大型多跨橋梁、隧道和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震模擬試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)主要性能參逡逑數(shù)剛?cè)绫恚常彼尽ｅ义希保稿义?

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【學(xué)位授予單位】：中南林業(yè)科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U238;U441;U451

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2709896