基于Timoshenko梁的隧道纵向地震响应及减震机理研究

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1、国内图书分类号：U452.2密级：公开国际图书分类号：624.19西南交通大学研究生学位论文基于Timoshenko梁的隧道纵向地震响应及减震机理研究年级二○一○级姓名陈涛申请学位级别工学博士专业桥梁与隧道工程指导教师高波教授二零一七年七月ClassifiedIndex：U452.2U.D.C：624.19SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationLONGITUDINALSEISMICRESPONSEANDSHOCKABSORPTIONMECHANISMANALYSISFORTUNNELSBASEDON

2、TIMOSHENKOBEAMMODELGrade：CivilEngineering2010Candidate：TaoChenAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：BridgeandTunnelEngineeringSupervisor：Prof.BoGaoJul.2017西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入

3、有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1.在恒定轴力作用下的

4、Timoshenko梁动力平衡方程中，通过引入轴力跃迁系数，得到了微元体的动力平衡控制方程的统一式，建立了带轴力的高阶动力学控制微分方程，然后经过拉普拉斯正、反变换，得到了显式的全封闭的动力响应格林函数，为弹性地基梁上的Timoshenko梁动力响应解析式推导，提供了理论基础与基本的推演步骤。2.根据经典的截面应力-应变关系，将衬砌断面视为薄壁圆环，当圆环为内径足够大而圆环的壁厚足够薄时(薄壁结构)，推导出了基本的剪切修正系数解析式，得出：对于封闭的衬砌结构（带仰拱），无论衬砌的断面类型，近似取值0.5275较为合适。3.将洞口段的隧道衬砌在地震过程中的

5、动力响应问题，简化为基于弹性地基上的Timoshenko梁在简谐外激励作用下的动力响应，得到了洞口段衬砌的基本动力响应，重点分析了两端自由边界条件下的Timoshenko梁（衬砌）的动力响应，指出：对于浅埋隧道的洞口段，适当增大坡率能提高纵向抗震性能，并且，内力响应随着弹性地基抗力系数的增大而增大，再者，随着覆盖层厚度变大，内力峰值呈变大后减小的趋势。4.利用“弹性地基”上的带轴力Timoshenko梁（衬砌）的动力响应格林函数，引进隧道衬砌“柔性接头”的扭簧等效模型的概念，通过传递矩阵法和格林函数叠加原理，求解得到了地震力作用下，带“柔性接头”的隧道衬砌位移峰

6、值、内力峰值等响应，进而评价隧道穿越地层变化段的动力响应，进一步通过扭簧刚度的设置，可以将“柔性接头”退化至“减震缝”。5.用叠合梁模型模拟“带减震层的复合式衬砌体系”（围岩-初期支护-减震层-二次衬砌），通过求解叠合梁的动力学控制微分方程，得到了复合式衬砌体系的动力响应格林函数的显式表达式。依据叠合Timoshenko梁的动力响应格林函数，明确了“围岩-初期支护-减震层-二次衬砌”体系能够有效地降低二次衬砌的内力响应，起到了较好的减震效果。学位论文作者签名：日期：西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要高烈度地震区的浅埋隧道纵向抗、减震问题不容忽视，地震过程中

7、的剪切波（S波）对隧道的震害影响比较大。本文将隧道衬砌沿纵向视为弹性地基上的Timoshenko梁，又将剪切波简化为衬砌横截面方向上的简谐动力外激励荷载，同时考虑了S波（或P波）的轴压效应（恒定轴压），基于Timoshenko梁的微元体内力（弯矩、剪力）在振动过程中的动力学平衡方程，推导出了：带恒定轴压的Timoshenko梁振动高阶控制微分方程，并借鉴Timoshenko梁基本振动问题的格林函数解法，求解出了显式的Timoshenko梁的动力学响应解析式，进而对隧道的纵向抗、减震问题作出分析。本文所提供的求解思路和方法，基于一系列的简化条件，能为浅埋隧道的纵向

8、抗、减震问题提供出显式的