本文是一篇土木工程论文，本文借助数值模拟的方法研究了地震作用下考虑接头的综合管廊的动力响应并进行了各种影响因素的分析，且对比分析了两类不同接头综合管廊的地震响应差异。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着城市的快速建设，造成了诸如供水、燃气、电力、通信等地下管线的数量骤增。长期以来，我国城市地下管线大多是以地下直埋的方式布置，这种方式不仅会造成交通不便更会产生巨大的经济损失。而地下综合管廊是一种用于将各类地下管线集中统一管理的特殊浅埋地下结构，它能够很好的解决反复开挖路面所带来的问题。因此，建设地下综合管廊是十分必要的。《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》指出，在2020年建成一批在国内外具有先进技术水平的地下综合管廊并正式投入使用。在2015年底，我国已规划修建和正在修建的管廊总体长度约1600km；在中央和国家为了大幅度地提振经济增长速度、加快推进供给侧结构性改革而采取的政策激励下，2017年完成了开工项目建设2006km；到2019年，我国各大城市规划中所新建的地下综合管廊总长度共计2226.14km。综合管廊如图1-1所示。
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综合管廊作为大尺度城市生命线工程的重要基础设施，是一种特殊的地下结构，在正常使用过程中，不易破坏。但在历次地震中，震害记录有：1923年的关东大地震，管廊破坏表现为接头处脱离、破损且管体沿纵向产生了裂缝等；1964年的新泻地震，埋设在土体中的某些管道由于液化作用使得管道在接头处脱开，从而使管道受到了较为严重的破坏；1971年的宫城地震，造成了某地下综合管廊纵断面、横断面都出现了不同程度的裂缝；1993年的钏路冲地震，也造成了该市内部分区域土体的液化从而使得地下管道接头脱离；1995年的阪神地震，造成了神户某地下综合管廊结构内部接缝的断开。
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1.2综合管廊接头研究现状
《城市综合管廊工程技术规范》（GB 50838-2015）规定：管廊纵向接头间的距离不超过30m。由前文列举的接头震害记录可知，综合管廊的接头是震害比较严重的部位，因此对综合管廊做抗震研究时，有必要考虑接头的影响。
1.2.1数值模拟研究现状
C.Klappers等[1]研究了如何分别采用梁、弹簧单元以适当的方式模拟接头的行为，并进行了比较和讨论。结果表明：对于正常荷载情况下，采用梁和弹簧单来模拟接头是可行的。而在特殊情况下，必须考虑整个隧道的力学性能，接头的模拟必须以适当的方式进行建模，必须考虑可能的最小和最大耦合力，并对各种耦合力进行参数研究。通常，最大的耦合力会产生最大的弯矩，最小的耦合力会产生最大的变形。
Supot Teachavorasinskun等[2]利用有限元分析的结果，提出了一种简化计算隧道衬砌弯矩承载的方法。研究了接头、节段数和地基土模量对节段隧道弯矩承载特性的影响。结果表明：有接头管段的最大弯矩小于无接头管段的最大弯矩。
Faisal I.Shalabi等[3]评估了纵向T型接缝密封胶在静、动荷载下的力学性能。结果表明：衬垫槽周围混凝土、裂缝区、衬垫-衬垫槽界面等区域是密封胶渗漏的主要部位。
Haitao Yu等[4]通过考虑材料的非线性和接触非线性并采用多尺度方法模拟了长隧道的动力响应，并考虑了埋深、地震动频谱特性的影响。结果表明：隧道的应力与深度有很强的相关性，当深度为入射波长的1/4时，隧道的应力响应显著增大；不同频谱特性地震波会影响隧道变形的幅度以及应力的分布；柔性接头可以略微减小应力集中，但由于附加变形，应特别注意柔性接头的防水性能。
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第2章考虑接头的综合管廊有限元模型建立
2.1人工边界条件及地震动输入
在进行土-结构动力有限元分析时，一般是从无限域地基中取出有限的区域来进行研究，并在有限区域设置边界，该边界即为人工边界。人工边界可以分为全局人工和局部人工边界。前者可以较好地模拟地基，但计算以及求解过程较为复杂；后者计算简单且具有较高精度，故在考虑地震作用下土-结构的地震响应时，一般采用的是局部人工边界[41]。包括透射边界、粘性边界、粘弹性边界等。
对于透射边界，其最大缺点就是计算精度不足，从而可能导致计算结果的失真；对于粘性边界，虽然充分利用了边界的耗能能力，但没有考虑地基在受力后的弹性恢复，从而可能导致地基中结构的位移过大从而失真；而对于粘弹性边界，其克服了以上两种边界的缺点，即既能充分利用边界的耗能能力同时也考虑了地基的弹性恢复，故稳定性较好[42]。目前国内外学者针对人工边界已进行了大量研究。
Marcus J.Grote[43]推导了三维无反射边界条件，该边界条件在时间上是局部的，在人工边界上是非局部的，并且只涉及位移的一阶导数。数值算例表明该方法具有较高精度。Lonny L.Thompson等[44]研究了无反射边界条件在有限元方法中实现时的准确性。针对无反射边界条件中出现的一阶方程，给出了求解有限元方程的隐式和显式时间积分方程。结果表明：当截断边界位于散射源附近时，在给定的精度水平上，无反射边界条件大大减少了计算时间。
赵密[45]在粘弹性边界的基础上进行了改进，并分析比较了改进的粘弹性边界和粘弹性边界的数值模拟结果。结果表明：改进的粘弹性边界模型更加简单，参数选取更加合理且模拟精度更高。
刘晶波等[46]在三维时域粘弹性人工边界的基础上进行了数值模拟。结果表明：三维时域粘弹性人工边界的精度高于与带有质量单元的粘弹性人工边界。
雷文军等[47]提出一种适用于静动力分析的简单人工边界即粘弹性边界。研究表明通过确定合理的弹性模量、泊松比等参数，该边界能够模拟地基的弹性恢复能力，同时也进一步验证了动力分析时该边界的精度。
刘晶波等[48]推导了一致粘弹性人工边界的刚度矩阵、阻尼矩阵，算例表明该边界具有较高的精度。
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2.2土体与结构接触非线性
无论是在静力还是在动力作用下，由于土体与结构特性相差较大，两者的变形将不会保持连续，这时就要考虑采用特殊的方式尽量使其保持连续性。常用的有三种方式[60]：
（1）共节点法：即将土体与结构视为共同变形。但在地震作用下，因两者本身性质的差异，故可能会发生相对位移。
（2）接触单元法：常用的为Goodman单元，Goodman单元可以模拟接触面上的错动滑移。但由于单元无厚度，在受压时会使两侧的二维单元相重叠（嵌入）。这时需要取更大的法向刚度系数，但因取值具有较大的随意性，故会产生较大误差。
（3）接触对法：对于需要定义接触的两个面，通过分别定义主、从接触面，再来设置主、从接触面之间的接触关系，来实现土-结构接触非线性模拟。接触包括切向行为和法向行为。切向行为是通过定义摩擦系数，来表示接触面间的摩擦属性。法向行为一般为“硬接触”，即接触压力的大小不受限制。当接触压力小于等于零时，此时接触面发生分离。
接触对法因其易与有限元软件结合，且接触面上属性设置方便，得到广泛应用。
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第3章承插式接头综合管廊地震响应分析......................27
3.1双向地震动对综合管廊的地震响应影响......................27
3.1.1结构的位移响应............................28
3.1.2结构的应力响应.............................29
第4章螺栓连接式接头综合管廊地震响应分析...........................41
4.1不同螺栓预应力对综合管廊的地震响应影响.....................41
4.1.1破坏形态.............................41
4.1.2应力发展.........................45
结论与展望........................61
结论............................61
展望................................62
第4章螺栓连接式接头综合管廊地震响应分析
4.1不同螺栓预应力对综合管廊的地震响应影响
为研究螺栓预应力对螺栓连接综合管廊抗弯性能的影响，通过设置不同螺栓预应力得到三组模型[87]，各组螺栓预应力分别取0.6倍、0.65倍、0.7倍螺栓屈服强度。
4.1.1破坏形态
在使用有限元软件ABAQUS时，可以选择导出各类数值模拟结果，其中，PEEQ为有限元模型的等效塑性应变，该值的含义是当载荷去除后结构不能恢复的应变，而在动力作用下，表示的是当地震动释放完成时结构所产生的应变。换句话说，该值是一个积累量，即在动力作用下，结构等效塑性应变积累的位置表示该位置发生了混凝土受压破坏或者产生了裂缝。而PEMAG为有限元模型的塑性应变量，该值的含义是结构在受力状态下某一时刻的塑性应变值，而在动力作用下，表示的是地震动作用下结构某一时刻的应变。换句话说，该值是一个瞬时量，即在动力作用下，结构塑性应变数值大的位置表示该位置在某一时刻发生了混凝土受压破坏或者产生了裂缝。由以上可知，结构的等效塑性应变以及塑性应变量集中的位置都表示的是该位置处可能发生了混凝土受压破坏或者产生了裂缝，区别在于等效塑性应变是一个积累量而塑性应变量是一个瞬时量，但两者均可以用来表示结构在地震作用下的破坏形态[88]。本节使用等效塑性应变来表示管廊的变形情况，塑性应变量来表示发生塑性应变的区域。图4-1为不同螺栓预应力的管廊在地震作用下的变形图，图4-2、图4-3和图4-4为管廊在不同螺栓预应力作用下的管廊塑性应变云图，图4-5为不同预应力下螺栓的Mises应力云图。
土木工程论文参考
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结论与展望
结论
本文借助数值模拟的方法研究了地震作用下考虑接头的综合管廊的动力响应并进行了各种影响因素的分析，且对比分析了两类不同接头综合管廊的地震响应差异，得到的结论如下：
（1）相比于单向地震动，当入射地震波为双向地震动时，综合管廊会产生更大的变形，如横向地震动下管廊顶部与底部的最大水平相对位移为3.7mm，而双向地震动下管廊顶部与底部的最大水平相对位移为3.9mm，比横向地震动下的最大相对水平位移增大了6.19%。另一方面管廊的顶底板跨中位置、左右侧墙与底板的交接处会出现一定程度的应力集中区域。以上现象说明了在进行管廊的地震响应分析时，为了更贴合实际情况，不能只考虑横向地震动或者只考虑竖向地震动作用，而需要考虑横向-竖向双向地震动的作用。
（2）地震作用下管廊会随着不同地震动而产生不同的地震响应，在Kobe波作用下结构内部产生的Mises应力为4502kPa，而Northridge波作用下结构内部产生的Mises应力为3990kPa，相差512kPa。且管廊的地震响应强度会随着结构自振频率与入射波的卓越频率的接近而逐渐增大。以上现象说明了在进行管廊的地震响应分析时，需选取多条地震波进行地震响应分析。
（3）地震作用下，管廊顶底板的相对水平位移会随着埋深的增加而逐渐增大，埋深为2m时，最大相对水平位移为4.61mm，当埋深增加至4m时，最大相对水平位移为5.57mm。同时结构内部的应力也增大。这说明了埋深的变化对于管廊抗震性能也存在一定程度的影响。
（4）螺栓的存在在一定程度上减小了管廊结构顶底板的相对水平位移，说明螺栓可以加强管节之间的连接，对于管廊抗震性能的提高具有一定的效果，但是螺栓数量越多即螺栓预紧孔越多，管廊相应位置处应力集中现象就越明显。
（5）两类接头管廊在地震下的受力差异体现为，承插式接头综合管廊各个角部、顶底板中部以及侧壁中部应力较大，而螺栓连接式接头综合管廊侧壁处应力值较大，角部、管廊顶底板中部应力分布均匀。
参考文献（略）