高速公路桥隧过渡段力学行为与动力响应研究

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1、分类号UDC博士学位论文密级高速公路桥隧过渡段力学行为与动力响应研究Studyonmechanicalbehavioranddynamicresponseforhighwaybridge·tunnelconnectionsection作者姓名：学科专业：学院(系、所)：指导教师：巢万里城市轨道交通工程土木工程学院王星华教授论文答辩日期名畔答辩委员会中南大学二0一二年十一月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，

2、也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。⋯名：轻丝嗍Ⅱ年土月午日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：轴罗师签名!黔期：u年!月卑日作者签名墨渺师

3、签名鲫期：u年!月牛日博士学位论文摘要随着高速公路的建设逐渐进入山岭重丘区，桥梁隧道工程也日益增多。桥隧过渡工程最显著的特点是相互连接的桥梁与隧道之问存在着相互影响，桥梁、隧道和周边岩体受到的扰动更多，其力学行为更为复杂。但是，目前国内外对桥隧过渡工程的研究十分有限，如何对施工过程中进行优化，以及如何分析车辆荷载对桥隧过渡段结构的动力作用都是值得关注的问题。针对以往研究中的不足，本文建立室内相似模型，首次利用室内试验研究了桥隧连接工程在重复行车荷载下围岩及结构的应力应变特征，及疲劳损伤。随后利用数值模拟手段，研究了桥隧结构在周期行车荷载下的动力响应

4、。随后根据桥隧连接处存在沉降差异的特点，推导了重载汽车通过沉降差异处的振动方程，并建立相应的隧道振动响应方程，以此求得隧道在车辆冲击荷载下的动力响应。以室内试验，数值模拟及理论分析等手段研究桥隧过渡结构在行车荷载作用下力学行为与动力响应，在此基础上分别针对隧道边仰坡的参数反演，稳定性分析以及隧道施工围岩的力学行为进行了研究，阐明了隧道围岩在施工过程中的力学行为变化，为桥隧过渡段的设计施工提供了理论依据。最后结合现场试验，将本文研究成果与实际测试结果进行对比，验证了本文的理论计算的正确性。本文获得的具体研究成果有如下几点：(1)在确定试验材料和试验方

5、案的基础上，研究了不同工况下桥隧过渡段施工过程中，隧道围岩压力变化情况，洞口附近围岩及边仰坡土体的稳定性。在此基础上，研究了不同工况下桥隧邻接工程在后期运营阶段，汽车荷载及其冲击作用下，桥、隧结构各关键部位及洞口土体的受力、变形、位移和沉降情况，及工程中常见的病害机理。(2)利用有限元软件MIDAS．GTS，建立了桥隧过渡段的三维数值计算分析，并根据车辆动荷载的大小与时变规律，施加动力荷载。通过桥隧过渡段的围岩衬砌应力，位移的比对分析，研究车速与桥隧过渡段的不同形式对其稳定性的影响：对两种不同的基础形式在动荷载作用下的动力反应进行对比，分析提出合理

6、的桥隧搭接过渡段结构形式，为方案比选提供理论依据。(3)在桥台与隧道衬砌的连接处，两者之间的沉降差异使车辆通过桥隧过渡段时对路面产生冲击作用。考虑车体自身的纵向转动与博士学位论文摘要倾覆，车辆通过桥隧连接段的过程视为一定初始条件下的受迫振动，根据D’Alembert原理，建立了三自由度与五自由度下，车辆与路面的动力耦合计算模型并给出其振动方程。并利用Laplace变换，对该系统的动力响应进行分析，求得各车轮冲击力随时间的变化规律。为了研究上述冲击荷载对隧道断面的动力效应，将根据已有两相饱和介质Green函数，利用Lamb积分公式，结合隧道断面特征，

7、以解析积分法推导了矩形和圆形断面隧道在上述衰减动力荷载下的振动反应，并研究了该荷载作用于隧道底部任意位置时的隧道振动位移反应表达式闭合解、反应时程曲线、瞬态和稳态的振动形态。(4)为了获取隧道的边仰坡物理力学参数，采用位移反分析技术对其进行研究。分别针对层状以及均质边坡，分别提出了基于模糊数学以及测斜曲线分析的反分析技术，并给出其目标函数。结合工程实例，计算了的目标函数的敏感度，证明其有效性。根据参数反演的结果，利用FLAC3D软件，利用多滑动面技术，分析隧道边仰坡的稳定性。(5)利用有限差分软件FLAC3D建立桥隧过渡段计算模型，分别模拟了不同围

8、岩级别下，桥隧搭接段与邻接段的围岩应力、围岩塑性区、洞周位移及地表位移规律。并比较了不同施工方法(台阶法，侧壁导坑，CRD