地铁车站-隧道-土相互作用体系地震反应

为研究地铁车站-隧道-土相互作用体系在地震中的整体力学行为,并探讨地铁车站与隧道接头结构对地下轨道交通结构地震响应的影响,本文建立了地铁车站-隧道-土相互作用体系的大型三维整体有限元模型,借助Ls-dyna有限元软件进行地震动时程分析,探讨了地铁车站-隧道-土相互作用体系的地震反应规律,从定量角度研究了地铁车站与隧道接头结构对车站及隧道地震响应的影响程度及范围。研究表明,地震作用下地铁车站与隧道结构的受力明显不均匀;地铁车站结构的最大层间位移响应在接头部位较车站中间截面显著减小,接头结构的影响距离约为车站纵向跨度的5倍;地铁隧道在接头结构处的应力响应较隧道其他位置显著增大,但增大程度随着与接头部位距离的增大而迅速减弱。     

黄土场地地铁车站振动台试验方案设计与研究

为得到可靠的试验数据,对黄土场地典型断面地铁车站大型振动台试验方案进行设计与研究。根据试验目的和特点,提出黄土场地与地铁车站动力相互作用模型体系相似设计原则,并基于Bockingham的π定理对模型结构进行相似设计;通过室内试验研究模型材料配合比、力学特性及模型制作技术;采用有限元-无限元耦合数值建模方法,分析黄土场地地铁车站地震响应,基于数值模拟结果对振动台试验中的传感器布设方案进行研究;根据西安及周边地区地震环境特点,确定振动台试验输入地震动与加载方案。研究结果表明,试验模型结构宏观震害与数值模拟结果较吻合。本研究可为黄土场地地铁车站、地铁隧道及地下商业街等地下结构振动台试验方案设计与深入研究提供参考。     

考虑进洞高程效应的黄土隧道洞口段地震动力响应特征研究

通过大型振动台模型试验并采用Midas-GTS有限元软件进行模拟计算,研究黄土隧道洞口段在地震作用下的动力响应特征、破坏过程和地震波在模型中的传递规律,分析影响黄土隧道洞口段地震动力响应的主要因素。结果表明:边坡沿弧形开裂面的垮塌受坡脚剪切和坡顶拉裂的共同作用;边坡会对其卓越频率内的地震波产生明显放大效应,且在1/2坡高以上放大效应出现饱和现象;隧道临空面是影响隧道洞口段地震动力响应的主要因素。考虑进洞高程效应时隧道洞口段抗震设防长度可取距洞口5倍洞径范围。振动台模型试验与数值计算在位移、加速度、应力三个响应特征上吻合较好,证明二者结果合理可靠。研究成果可为隧道工程设计和地下结构抗震理论研究提供有益参考。     

分层土-隧道相互作用体系地震响应分析

为研究地震作用下非均质场地各个土层放大效应以及分层土-隧道的地震响应,以大连某实际工程为背景,基于地震作用下隧道结构动力响应的理论,采用收敛约束法,通过ABAQUS构建分层土-隧道三维有限元模型,并结合振动台试验,验证模拟的准确性;将自由场与有隧道场地进行对比,并结合加速度和傅里叶曲线对模拟数据进行分析。结果表明：(1)土体性质和激励大小对地震波的传递有影响,随着场地由浅到深逐渐增加,峰值加速度逐渐放大,不同分层介质的主要频率和频谱形状发生明显变化;(2)隧道会放大远场的加速度响应,略微降低近场的动力响应;(3)软弱夹层的存在对地震动的放大作用也有明显影响,不同分层介质的不同特性导致土层刚度不同,从而影响地震作用下层状土-隧道的动力相互作用。     

水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析

基于有效的土-结相互作用有限元数值模拟方法,利用有限元软件ABAQUS对水平及竖向地震共同作用下双线盾构隧道的地震响应进行分析研究。地震动输入选取近场地震Loma、ChiChi、Mammoth和WoLong的基岩水平及竖向加速度时程记录。结果表明,不同近场地震记录对隧道结构的作用不同,隧道的地震反应与场地性质及地震动的频谱特性密切相关。对比隧道在水平及竖向地震动共同作用下的响应与单向水平地震动作用下的响应,发现隧道的最大地震附加内力及其分布均发生较大的变化,在隧道结构抗震设计中需引起重视。另外,分析中还考虑了在双向地震动共同作用下,隧道间距、土-结接触面的摩擦系数、土-结相对刚度、输入的地震记录和竖向地震动相对强度对隧道地震响应的影响等,研究结果对隧道工程的抗震设计具有一定的参考价值。     

地下综合管廊大型振动台模型试验研究

针对地下综合管廊缺乏抗震研究的现状,开展了地下综合管廊大型振动台模型试验研究。试验中除对通常的地下结构振动台试验中常规地震响应进行了测量外,还测量了模型场地水平位移、模型结构的层间位移、模型结构内钢筋应变。同时,通过自行设计的接触面土体滑移传感器测量了结构顶板接触面土体滑移。本文对模型结构的动力响应以及接触面和周围土体地震响应规律进行了分析。结果表明：在地震作用下地下综合管廊的地震加速度响应服从周围土体的地震响应,其响应幅值不会大于周围土体的加速度响应幅值;结构内力最大部位出现在结构的角部,并且内力随着地震动强度的增加而增大;地下综合管廊接触面土压总体上随着地震动强度的增加而增大,侧板和顶、底板的土压力分布模式不同;在水平地震作用下,地下综合管廊会产生顶、底板之间的相对位移,同时伴随着横截面内的刚体转动;地下综合管廊壁板与土接触面的作用力是结构产生内力的直接原因,其中侧壁土压起主要作用。     

基于静力试验的体外预应力自复位框架地震响应数值模拟

一般在进行振动台模型试验时,由于试验引起结构构件损伤,很难在试验前或试验后实测构件或节点的力学参数,但是对于整体弹性模型或部分弹性模型,可以事后对其力学性能进行实测,将实测数据用于修正计算模型,经过修正的计算结果与振动台试验结果有更好对比性。体外预应力自复位框架(EPSCF)是一种新型抗震结构,将预应力筋设置在梁柱构件体外,达到易施工、易监测、可更换的目的。在振动台试验中,EPSCF主体结构保持弹性,耗能装置损坏。振动台试验后,进行EPSCF主体结构低周反复静力试验,实测结构在侧向力作用下的滞回曲线与骨架曲线,并计算出结构每层的抗侧刚度及等效阻尼比。将实测参数代入有限元模型中进行地震响应数值模拟,并与振动台试验结果进行对比。研究结果表明,经过静力试验校准的计算模型能更好地模拟振动台试验结果。     

考虑SSI效应的隔震结构体系振动台模型试验与数值模拟对比研究

基于考虑土-结构相互作用(SSI)效应的隔震结构体系振动台模型试验,以ABAQUS软件为计算平台,考虑土体的非线件特性,建立了将土体一桩基-隔震结构视为共同工作整体的三维有限元模型,对各种试验工况下的地震反应进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比分析,结果表明:数值模拟和振动台模型试验结果基本一致,两者得到的SSI效应对隔震结构地震反应的影响体现出相似的规律性,印证了数值模型的正确性.     

土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台试验——试验结果分析

在进行土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台模型试验中,分别测出了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、结构的侧向土压力反应和隧道结构的应变反应。本文首先对模型体系的加速度反应实测值进行整理,分析了模型地基的边界模拟效果、模型地基和隧道结构的加速度反应规律。其次,对模型隧道结构的应变实测结果进行了分析,给出了地铁区间隧道在水平向地震动作用下横截面的应变分布规律,分析了模型箱侧壁与地基土以及隧道结构与土体接触面上的动土压力实测结果及其反应的规律。最后,对试验中模型土的液化现象、地震裂缝和地下结构上浮等震害现象进行了描述。     

足尺钢框架振动台试验及动力弹塑性数值模拟

本文通过有限元分析程序OpenSees对一足尺四层钢框架结构进行静力及动力弹塑性分析,结构构件采用自由度较少的纤维模型模拟。在振动台试验之前,预测足尺钢框架结构连续在小震、中震及大震作用下的响应,将预测分析结果与振动台试验结果进行对比,结果显示该数值模拟方法能很好地反映结构的弹塑性行为及破坏机制,准确预测结构的地震响应及大震下结构倒塌时间。这进一步说明基于纤维模型的整体结构弹塑性分析方法,由于自由度数少,适用于整体结构抗震分析。     

土石坝振动台模型试验颗粒流数值模拟分析

目前一般采用振动台试验、离心振动台试验和有限元动力分析来获得土石坝在设计地震荷载作用下的形态和抗震性能。本文结合孔宪京等的土石坝振动台试验结果开展了颗粒流细观数值模拟研究,克服了传统连续介质力学的宏观连续性假设,形象而直观地表现出坝体在动力荷载作用下的破坏特征。数值模拟规律与振动台试验规律基本一致。同时还分析了坝体颗粒粘结强度和地震峰值加速度变化对坝体破坏特征的影响。数值结果表明,当颗粒间粘结强度较低时,表现为坝体表面颗粒的滑动破坏,粘结强度稍大时,会出现局部的小块颗粒团整体滑动破坏;随着峰值加速度的增大,坝顶沉降量在增大,坝体破坏特征不变。     

三塔长跨斜拉桥振动台试验研究

多塔长跨斜拉桥受力复杂,采用轻质结合梁时结构地震响应更具特点.本文以某主跨为616m的三塔结合梁斜拉桥为工程背景,制作动力缩尺模型进行三台阵振动台试验.在单向一致激励振动台试验的基础上,进行多维激励、多点激励振动台试验,并与数值分析结果进行比较验证.试验结果表明:此结构的基本振型为中塔纵弯与主梁竖弯的耦合振动.纵向一致地震作用下,主塔及主梁均会有较大的地震响应;横向一致地震激励下,中塔地震响应较边塔更为不利.多点激励振动台试验表明,行波效应使得各构件地震响应不同程度增大;最后,通过多维地震激励下试验结果验证了规范中方向组合计算方法的准确性.     

软弱场地地铁车站结构地震反应的数值模拟与模型试验对比分析

根据软弱场地土上地铁车站结构大型振动台模型试验结果,以软件ABAQU S为平台,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用二维和三维有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明：二维、三维数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,三维模型可更好地模拟软弱场地与地铁车站结构的动力相互作用及模型结构的动力反应。数值模拟结果和振动台试验结果可相互验证其可靠性。     

摩擦摆隔震支座振动台试验、数值仿真及应用研究

通过模型振动台试验和数值仿真,对适用于高层建筑结构的大吨位摩擦摆隔震支座在不同地震荷载工况下的动力响应和隔震性能进行了深入研究,试验模型的力学及承载性能在不同地震动水准下保持较好,且随着输入激励的增大,支座耗能能力逐渐提高,减隔震效果逐渐增强。隔震支座的数值模拟结果和振动台试验结果吻合良好,取得了较好的模拟效果。在此基础上,选取一复杂高层建筑结构作为研究对象,进行了不同地震波小震和大震激励作用下的动力响应分析,通过对比设置隔震支座与未设置隔震支座的计算结果,总结了高层建筑结构的动力响应规律。结果表明:(1)摩擦摆隔震支座耗能能力随着地震作用的增大而增强;(2)不同类型地震波作用对复杂高层建筑结构的响应明显不同:长周期地震波作用下结构响应明显比普通地震波作用下的结果大,且长周期地震波对结构位移响应的影响较加速度明显;(3)摩擦摆隔震支座对复杂高层建筑结构的地震反应有较为理想的隔震效果,不同地震波作用下结构响应的隔震效果有所不同,且不同响应之间的隔震效果也不相同,位移响应的隔震效果明显大于加速度的隔震效果。     

不同场地条件下非规则截面地铁地下车站结构地震反应特性研究

我国大型城市轨道交通地下结构建设处于蓬勃发展时期,建设场地条件日趋复杂,车站结构形式也复杂多样,呈现不规则特征。近年的地震灾害现象表明,地下结构在强地震作用下可能会出现严重的震害及次生灾害,城市大型地下结构工程的抗震安全性已成为倍受关注的社会问题之一。因此,研究不良地质条件下不规则地下结构的地震安全性具有重要的学术意义与工程应用价值。本文以苏州星海站的不规则(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构和场地条件为原型,分别采用模拟地震振动台试验和数值模拟方法开展研究,探讨饱和砂土地基和软弱粘土地基中非规则截面地铁地下车站结构的地震反应特性及损伤机理。为满足振动台试验中多种类型物理量的有效测试,采用了分布式柔性孔压传感链测试技术,阵列式位移计(SAA)测试技术,并基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试技术实现地下结构灾变过程的可视化及数据化。论文的主要工作和成果如下:(1)将阵列式位移计(SAA)首次应用于地基土-地铁车站结构大型振动台系列模型试验中,实现土体变形的测量,并与基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试结果相比较,表明采用SAA可较好地测试地震荷载作用下土体的位移响应;研发了分布式柔性孔压传感链测试技术,可以有效解决振动过程中传感器与土体惯性力不同而产生的自身摇摆、移位等问题。形成了地基土-地铁地下结构体系地震损伤与破坏时空演化过程的大型振动台试验可视化及数据化试验技术,可展现非规则截面地下结构的变形模式。(2)将研发的测试技术应用于大型振动台模型试验,开展了可液化地基和软弱粘土地基中非规则截面(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构的地震反应特性研究,给出了模型地基-结构体系加速度、变形、震陷特性,模型地基土与结构接触动土压力反应,模型结构动应变特性以及可液化地基土孔压反应及空间效应等,揭示了不良工程地质条件下地铁车站结构地震灾变特性和破坏机理。(3)对完成的不同场地条件下地铁地下车站结构的振动台系列试验结果进行对比分析,包括地铁车站模型结构周围地基土的加速度反应规律、地表震陷特征,模型地基土与结构接触动土压力反应特性,非规则截面地铁车站模型结构的加速度、侧向位移和动应变的反应规律等,得出了不同场地中非规则截面地铁地下结构地震反应特性的差异性。(4)基于有限元软件ABAQUS计算平台,形成了地基土-地下结构体系成套数值分析流程,开展了软弱场地中非规则截面地铁地下车站结构振动台试验的数值模拟,并与振动台模型试验结果进行了比较,验证了该数值分析方法的可行性和有效性。在此基础上,对复杂环境下足尺非规则截面地铁地下车站结构进行了数值模拟计算,给出了其地震反应特性。     

土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台试验:试验方案设计

以南京地铁的建设背景为基础,对含有可液化土层的深厚软弱场地上双洞单轨的地铁区间隧道结构进行了大型振动台模型试验研究。根据本次试验的目的和特性,首先给出了模型体系相似比的设计基本原则,并对整个模型体系进行了相似设计,对模型土和模型结构的制备方法和模型材料的物理特性进行了室内试验研究,同时,根据对隧道地震反应分析的数值模拟结果,对传感器的选择及其布置方案进行了分析。最后,根据南京及其周边地区的地震环境,对台面输入地震动的选取及其加载方法进行了具体的阐述。试验结果表明本文对土-地铁区间隧道动力相互作用的大型振动台模型试验的设计方案是合理的,对相关试验结果的整理和分析见另文。     

地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较研究

根据可液化土层上土-地铁车站结构动力相互作用大型振动台模型试验结果,以软件ABAQUS为平台,将地基土-地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型模拟土体的动力特性,采用混凝土动塑性损伤模型模拟车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用的有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比,结果表明:数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,体现出了相似的规律性,相互印证了计算分析的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

地震作用下海底沉管隧道的动力响应分析

基于黏弹性人工边界理论,将地震动的输入转化为作用于人工边界的等效荷载来实现波动的输入,利用有限元软件ADINA建立了海水-沉管隧道-海床的整体分析模型,在模型的海水与海床的交界面处设置流固耦合边界来考虑海水与海床的流固耦合动力反应,分析了地震P波垂直入射作用下,海水深度、沉管隧道的埋置深度和海床土的弹性模量对沉管隧道结构地震反应的影响。结果表明:地震P波垂直入射作用下,海水深度和埋置深度对沉管隧道结构水平向与竖向的动力响应影响明显,而海床土弹性模量则影响不大。本文的分析结果可以对沉管隧道结构抗震设计方面提供参考依据。     

基于Pushover方法的柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架抗震性能分析

柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架采用整体结构刚度"弱化"的方式来减小结构的地震作用效应,同时通过设置层间阻尼器来控制结构地震位移响应并消耗地震能量。模拟地震振动台试验研究结果表明,在罕遇地震作用下,模型主体结构未见损伤,结构抗震性能优异。首先介绍柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架结构形式,并进行有限元计算分析,通过与试验结果对比验证数值建模的正确性,其次使用Pushover分析方法对比和评定无控及受控状态下柱端铰型摇摆框架的抗震性能。分析结果表明,通过设置层间耗能阻尼器,受控柱端铰型摇摆框架的位移响应可以得到有效控制,地震加速度和位移响应满足抗震性能指标。     

黄土地区地铁车站数值模型及测试位置研究

介绍了黄土地区地铁车站振动台模型试验的测试设备与数据采集系统;基于ABAQUS有限元分析软件,采用有限元-无限元耦合的建模方法,对地震作用下黄土地区地铁车站的加速度反应、位移反应、应变反应,以及土-结构相互作用的接触土压力进行了研究。结果表明,结构构件交叉部位的应变反应及接触土压力较大。最后,根据地铁车站地震反应特点,研究了黄土地区地铁车站振动台模型试验中传感器的布置原则和布置方案,为试验获得可靠数据提供了重要保证。同时,本文得到的黄土地区地铁车站地震反应特点和规律,可为黄土介质模型试验及深度数值模型分析提供参考。