第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
近年来随着我国整体国力的提升，城市化进程发展的速度越来越快，对于地下市政管线的种类和数量有了新的要求，如果仍然采用传统的直埋敷设的方式来布置这些管线，会极大的影响到地下空间的利用。而且这种开挖方式在进行管线增容扩容过程时会对路面产生二次破坏，对于市民的正常出行和城市的面貌带来严重的影响；损坏的管线在进行开挖修复的过程中，可能会挖断其附近的其他管线，由此引发的二次事故，不仅影响到人们的正常生活，而且也会造成严重的经济损失。为了适应城市化进程的快速发展的节奏，合理的利用地下空间，避免路面的二次破坏，如何建立一个能够将各类市政管线集中规划、统一管理的综合管廊成为未来基础设施发展的新方向[1-3]。
综合管廊（如图 1-1 所示），即在城市道路以下建立一个地下结构，将原本存在于地上和地下的市政管线统一放入其中，并留有足够空间，为后续其它管线的布置做好容量储备，同时设置用于管线检修的通道，专门的通风口、投料口以及监测系统。综合管廊的设置不仅提高了地下空间的利用率，而且有利于地下市政管线的维修、维护和管理[4-5]。
图 1-1 综合管廊示意图
1.2 研究现状
1.2.1 Rayleigh 波的传播特性
在发生地震时，震源释放出巨大的能量在地球体内主要以体波的形式向外传播。随着震中距的增加，由于土体介质阻尼的影响，体波在传播过程中其能量逐渐衰减，此时面波成为地表附近结构需要考虑的控制因素。面波根据其传播特性不同主要分为两种：瑞利面波和勒夫面波，相关学者研究表明瑞利面波对结构的影响要比勒夫面波大得多，因此主要考虑 Rayleigh 波对结构的作用。Rayleigh 波的能量大都分布在浅层地表范围内[11]。Rayleigh 面波以逆进的椭圆在垂直于地表的平面内传播，其传播速度与压缩波速度相近，且其震动振幅较大，影响的范围比较广[12-13]。因此，在距离震中距较远的建筑结构，要充分的考虑瑞利面波的影响。
以上的研究主要是考虑土体为均匀单相介质，而实际的场地条件是十分复杂的。目前，对于瑞利波传播特性的研究逐渐考虑到液相和气相的影响[14-17]。
1.2.2 Rayleigh 波对结构影响
目前，关于瑞利波对结构动力响应的影响主要集中在对桩基方面，瑞利波对地下结构的抗震研究还比较少。
岳庆霞[18]、施有志[19-20]等对瑞利波作用下综合管廊的地震响应进行了研究。刘晶波[9、21]等提出了一种适用于瑞利波的等效荷载输入方法，并验证了该方法的精度，又采用了该方法对综合管廊进行影响因素分析。George P. Kouretzis[22]等对瑞利地震波作用下长圆形的地下结构进行动力响应分析。Qijian Liu[23]等研究了衬砌隧道对瑞利波的散射问题。Yunliang Zhang[24]、芒来[25]等对瑞利波作用下隧道衬砌的动力响应进行研究分析。王竞雄[26]等对瑞利波作用下埋地管线的抗震性能进行了研究。
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第 2 章 地下综合管廊抗震分析中的关键问题研究
2.1 引言
在对地下结构进行进行地震响应分析时，通常采用数值模拟方法进行分析研究。本章主要对有限元建模时涉及到的几个关键问题进行简要的概述。主要包括：土体与结构的本构模型，土体与结构间接触的设置，人工边界条件的基本原理，地震波的等效荷载输入方法以及地震波的选取等。
材料的本构模型是对其物理性质的描述，在进行有限元建模时我们要根据具体的问题选择合理的本构关系，只有选择合适的本构模型，才能得到更加可靠的计算结果。接下来对本文涉及到的几个本构模型进行简要的概述。
混凝土材料在荷载作用下，会有塑性的积累以及刚度退化等问题，为了尽可能精确的模拟混凝土的力学性能，相关学者基于各种理论提出了一系列的本构模型，其中混凝土塑性损伤本构模型（CDP 本构模型）得到了广泛的应用。此模型即考虑到了混凝土的初始裂纹，也反映了受力过程中产生的裂纹开展，最终导致了材料刚度退化现象。CDP 本构模型[111-114]的原理是采用各向同性的弹性损伤理论以及各向同性的拉伸和压缩塑性理论来表征材料的非弹性行为。
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2.2有限元模型的建立
本文在建立土-综合管廊相互作用有限元模型时，进行如下假定：
1）计算区域内的土体是均匀各向同性的；
2）不考虑行波效应，即模型底部各点受到地震波的激励是一致的；
3）只考虑重力荷载和地震波的作用，不考虑地下水的影响。本节以一种基本工况为例，介绍了有限元模型的建立过程。在影响因素分析过程中，均在此基本工况的基础上采用控制变量的方法进行参数分析。
2.2.1材料参数
土体的本构模型选择摩尔-库伦本构模型，结构选取 C35 混凝土，本构为弹性本构，与本构模型相关的参数如表 3-1 所示。
表 3-1 土体和结构的材料参数
第 3 章 Rayleigh 波作用下综合管廊地震响应分析...........................27
3.1 引言..................................27
3.2 有限元模型的建立...........................27
第 4 章 瑞利波作用下综合管廊抗震设计方法研究.....................61
4.1 反应位移法及其分析....................................61
4.2 整体式反应位移法的提出............................61
结论与展望...........................69
第 4 章 瑞利波作用下综合管廊抗震设计方法研究
4.1 反应位移法及其分析
地震作用下地下结构内力计算主要有两类方法：动力时程分析法和拟静力法。拟静力法因其原理简单，易于实现，因此得到了广泛的应用。在众多的拟静力法中，应用最多的是反应位移法，反应位移法已经在众多工程中得到了验证和应用。传统反应位移法的示意图如图 4-1 所示。
图 4-1 传统反应位移法示意图
传统的反应位移法虽然原理简单，相关参数易于求解，但是在实际应用中存在着如下问题：
1）如图 4-1 所示的计算模型，反应位移法主要通过设置地基弹簧的来模拟土体对结构的作用，但是地基弹簧之间是无关联的，因此无法考虑到土体之间的相互作用。而且在结构角点处，地基弹簧对结构的约束作用很弱，因此其在结构角点处的内力可能会小于真实情况。
2）目前对于地基弹簧的取值还没有统一的计算方法。合理确定地基弹簧系数是地下结构抗震是否准确的关键。
3）通过有限元法可以较准确的得到地基弹簧系数，但其计算量比较大，需要计算六个有限元模型。
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结论与展望
本文的研究内容主要分为两个部分：首先，采用了数值模拟的方法对瑞利波作用下综合管廊进行影响因素分析；其次，是提出一种适用于 Rayleigh 波的地下结构抗震设计方法。
以下对本文所做工作内容进行总结，得出主要结论如下：
1）对综合管廊的截面尺寸和截面形状分析可知：当综合管廊的截面形状为正方形时，随着结构高度和宽度的增加，存在一个临界的尺寸使得结构的峰值加速度和剪切角达到最小，而且其峰值 Mises 应力增加的幅度也比较小；在进行综合管廊设计时，若截面面积不足时，应当通过提高截面的高度来提高总截面的面积；与方形截面综合管廊相比，圆形截面综合管廊更易与土体协同运动；方形截面的综合管廊破坏形式主要为剪切破坏，而圆形截面的综合管廊破坏形式主要为受扭破坏；截面面积相同的圆形截面和方形截面，前者的峰值 Mises 应力明显小于后者。
2）地下结构在不大于 0.3g 的峰值加速度下进行地震响应分析时，可采用弹性本构来代替塑性损伤本构；不同频谱的地震波对结构的内力响应也不尽相同，在实际工程中进行地下结构抗震设计时，应多取几种地震波进行分析研究；同一频谱地震波作用下，其地震动强度的变化也会对综合管廊的内力造成影响，其内力随着地震动强度的变化基本呈线性变化。
3）对土层刚度、摩擦系数和结构埋深等外部影响因素分析可知：随着土-综合管廊摩擦系数的增加，各监测点的加速度、位移和应力响应均增大；综合管廊的剪切变形随着土层刚度的增加逐渐减小，而其峰值 Mises 应力随着土层刚度的增加其变化规律比较复杂，且与输入的瑞利波波形有关；综合管廊结构的整体加速度以及结构的相对位移随着综合管廊埋深的增加逐渐减小，而结构总体的应力水平反而增大，因此对于综合管廊的埋置深度要仔细考虑。
参考文献（略）