考虑预应力影响的壳-弹簧模型及其在预制地下管廊纵向抗震分析中的应用

利用ABAQUS有限元软件,采用壳单元模拟管廊结构,非线性地基弹簧单元模拟土-结构相互作用,非线性弹簧单元模拟带止水橡胶的承插式接头和预应力钢绞线,提出了一种考虑预应力影响的预制地下管廊纵向抗震分析的壳-弹簧有限元模型,并基于反应位移法分析了某拟建预制地下双舱管廊在地震波作用下的内力和变形。研究表明:文中壳-弹簧模型充分反映了预制地下管廊纵向接头构造及初始装配预应力,以及地震作用下的结构真实变形及内力分布,适用于预制地下管廊的纵向抗震分析。     

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。     

双层岛式地铁车站结构地震反应分析

以深圳某双层两跨岛式地铁车站为工程背景,考虑水平地震和水平、竖向地震耦合2种工况,采用ANSYS分析软件,研究SSI(土与结构相互作用)效应下结构的水平位移特征和内力响应规律.结果表明:与水平地震工况相比,耦合地震作用下结构最大内力增幅较大,由于竖向惯性荷载作用,产生最大内力位置不同;周围土体介质的变形与结构在震动中的变形关系密切;沿车站侧墙高度的相对水平位移在2种地震工况作用下的变化不容忽视,不可忽略竖向地震的影响,耦合地震作用下的相对水平位移可用线性曲线拟合.研究成果可为地铁车站的抗震设计提供参考.     

城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能分析

以某城市轨道交通大型地下空间结构工程为背景,研究和分析大型地下空间结构在设防地震和罕遇地震作用下的结构抗震性能。利用MIDAS/GTS大型有限元程序建立三维动力模型,采用时程分析法,获得了结构的变形和内力响应,分析了结构的层间位移差、层间位移角和结构静动力力学特性。基于场地条件下的大型地下空间结构,在设防地震下顶底板处层间位移差最大值为12.00mm,位移角最大值为1/20831/550;在罕遇地震下顶底板处层间位移差最大值为21.82mm,位移角最大值为1/11451/250,总体上满足结构变形要求。研究结果表明:对于大型地下空间结构,在进行结构设计时,除了静力计算工况,应综合考虑抗震工况,开展三维动力时程分析,以便全面掌握其抗震性能;在地震作用下,结构顶板、侧墙和底板等某些部位的内力值较静力计算工况大;大型地下空间主体结构开口处为薄弱环节,应在设计中进行相关加固措施考虑。     

地下与地上钢筋混凝土矩形结构抗震性能对比研究

地下结构由于受周围土体的约束作用,其受力与变形特点与地上结构存在差异。采用Pushover分析方法分别对考虑土-结构相互作用的地下结构和不考虑土体的地上结构的抗震性能进行对比研究,探讨单层单跨和单层双跨钢筋混凝土矩形结构在有、无土体存在时抗震性能的差异。研究表明:考虑土-结构相互作用的地下结构变形能力与无土体时存在差异。在相同结构尺寸与初始轴压比的情况下,考虑土-结构相互作用的地下结构弹性层间位移角限值变小,地下结构更早出现塑性铰;单跨地下结构变形能力比地上结构的差,周围土体的剪切变形约束作用使得地下结构的延性变差;双跨地下结构与地上结构中柱变形能力相差不多,但侧墙的变形能力比地上结构的略差。因此,即使相同尺寸和初始轴压比的钢筋混凝土矩形结构,地上与地下结构的抗震性能仍存在较大差异,地上结构的相关研究成果不宜直接用于地下结构。     

地铁车站与隧道连接处地震响应分析

结构截面刚度突变处是地下结构抗震的薄弱部位,为研究地铁车站与隧道连接处的地震响应,本文建立有限差分数值模型,分析地震作用下车站与隧道连接处的薄弱部位、连接处附近的侧墙变形分布特征以及地表沉降分布特征,重点探究埋深、地震动特征以及周围土体刚度对连接处隧道应力的影响。结果表明:连接处端墙底部跨中、端墙洞口的顶部和底部是抗震的薄弱部位;连接处端墙存在对侧墙变形分布、地表沉降分布有一定影响;结构埋深,地震动频谱、幅值对连接处隧道应力响应有较大影响,结构周围土体的刚度在一定范围内对连接处隧道应力有较大影响。     

基于Pushover分析方法的多层地铁车站地震反应研究

为系统研究多层地铁车站结构地震反应,本文采用地下结构Pushover分析方法对Ⅱ、Ⅲ类场地9座不同结构形式的地铁车站结构进行系列拟静力推覆分析。研究结果表明:中柱是多层地铁车站结构关键抗震构件,地震作用下易先于其他构件产生损伤甚至破坏,车站结构出现整体性塌毁主要是由于中柱首先产生剪切破坏而丧失竖向承载力导致的。中柱是地铁车站结构重要的竖向承力构件,侧墙是地铁车站结构主要水平承力构件。损伤演变速度及损伤累计程度排序为中柱>侧墙>板。对于多层地铁车站结构而言,结构底层中柱和侧墙通常承受更高的轴压作用,使其损伤和破坏先于上层构件。中柱顶、底端和墙、板交界位置在地震作用下极易产生损伤破坏,建议在抗震设计中对这些位置适当地进行加强处理。     

部分预制装配式地铁地下车站结构整体抗震性能研究

文中以新型预制装配+现浇钢筋混凝土箱型框架式地铁地下车站结构为研究对象,考虑预制构件与现浇构件的叠合作用与连接设计,建立了土-地连墙-地下结构非线性静动力耦合相互作用有限元模型,通过与传统现浇式车站结构的层间位移角、结构加速度和地震损伤的对比分析,探明了该部分预制装配式地铁地下车站结构的整体抗震性能水平。结果表明:由于预制装配式构件采用高标号混凝土,使得预制装配+现浇钢筋混凝土箱型框架式地铁地下车站结构的整体抗震性能明显优于对应的传统非装配现浇式车站结构;同时,输入具有明显低频振动特性的地震动时车站结构的地震反应最为强烈;预制+现浇叠合构件的横截面上,现浇部分混凝土的地震损伤明显大于同截面预制部分混凝土的地震损伤。     

典型综合管廊体系的地震响应分析

为了深入分析地震作用下综合管廊体系的安全性,通过数值模拟试算分析,建立了合理的综合管廊体系三维有限元模型,选取了7条不同频谱特性的天然地震动作为输入,进行了典型综合管廊体系地震响应分析,研究了综合管廊结构及其内部管道的响应特征,并简要评价了其抗震性能。结果表明,地震作用下,综合管廊变形基本与周围土层一致,侧壁与底板连接部位为损伤最大位置,而综合管廊内管道,与传统直埋管道相比,其地震应力响应大为降低。因此在设计时,应重点考虑综合管廊本身的抗震问题。     

Rayleigh波作用下地下综合管廊动力响应三维数值分析

地下综合管廊由于埋深较浅,Rayleigh波能量对综合管廊的地震反应具有重要影响。建立非线性有限元三维动力数值模型,通过边界脉冲荷载生成Rayleigh波,研究Rayleigh波平行入射条件下综合管廊结构的加速度、位移和内力等响应特性,然后分别研究管廊断面尺寸、覆土厚度、Rayleigh波入射角和土体本构等因素对管廊结构动力响应特征的影响。研究结果表明:Rayleigh波平行入射作用下,综合管廊结构顶板受力表现为时而受拉以及时而受压,Rayleigh波传递过程对管廊结构受力产生不利影响;当Rayleigh波入射方向与管廊结构轴向夹角越接近90°,引起的动力响应相对越大;土体采用摩尔-库伦模型(MC模型)时,由于不能考虑材料滞回环属性对能量的耗散,相对于小应变硬化模型(HSS模型)模拟出的管廊结构内力和位移响应要大;管廊埋深越浅,结构位移响应幅值和内力响应幅度变化越大;不同截面管廊结构的纵向位移差别不大,竖向位移则随截面增大而减小,表明随着截面刚度的提高,抗变形能力增强;管廊结构内力峰值变化量随截面增大而减小,单仓结构在Rayleigh波作用下的内力响应最为显著。     

不同场地条件下地连墙对地铁车站结构地震动力响应的影响

地铁车站多采用基于地下连续墙(简称：地连墙)的明挖施工方法,施工后地连墙作为永久结构与车站共同受力。在车站结构抗震分析中,考虑到地连墙可能对结构抗震的有利作用,出于安全储备考虑通常忽略地连墙的存在,但地连墙对车站结构地震响应的影响规律和机理仍有待深入研究。以某典型两层三跨地铁车站结构为对象,基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,开展有无地连墙情况车站结构地震响应特性对比研究,揭示不同场地条件下地连墙对车站结构地震响应的影响规律,阐明地连墙的影响机理。研究结果表明：地连墙具有减小车站结构总体层间位移效应,有利于侧墙和底层中柱抗震,但同时放大了顶底板与侧墙连接处的弯矩和正应力;地连墙对结构顶层中柱端部及中跨中板板端的内力和正应力的影响与场地条件相关,坚硬和中硬场地条件下具有减小效应,软弱场地下略有增大作用。上述结构响应规律的原因可归结为地连墙增加了结构侧墙刚度,降低了结构整体侧向变形,但限制了侧墙的弯曲变形,导致结构顶底板与侧墙交接处的弯曲变形和内力增大。     

地下结构地震反应规范计算方法的对比分析

随着地下空间大规模开发利用,地震灾害对其造成的潜在威胁不容忽视。基于《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB50909-2014)》和《地下铁道建筑结构抗震设计规范(DG/TJ08-2064-2009)》建议的分析方法,选取惯性力法、反应位移法(国家规范法、上海规范法)、动力时程方法(线弹性方法、等效线性化方法)三类共5种计算方法,以典型两层双柱三跨地铁车站结构为分析对象进行地震反应的对比验算,对上述计算方法的适应性进行评价。分析结果表明,与动力时程方法相比较,惯性力法计算得到的侧墙剪力值偏大,中柱结果较为接近;对于反应位移法,国家规范方法和上海规范方法的计算模型略有不同,但两者计算结果基本相近,其中土体强制位移、集中地基弹簧、土体动剪切模量等参数取值对计算结果影响显著;对于动力时程方法,线弹性方法和等效线性化方法的结果较为接近,且变化趋势相同。     

土体弱化与地震动关联性理论及相互作用规律研究

宏观震害经验表明,地震中软弱场地、土体非线性以及可液化土层等对上部工程结构、地基基础与地下工程结构物的破坏影响很大.而地震荷载对工程结构的影响主要从惯性力和变形两个方面考虑.对地上建筑结构而言,惯性力起控制作用,土体非线性对惯性力的影响在抗震设计中由反应谱体现,此部分由地震动的加速度反应谱控制;对于地基基础和地下结构而言,土体变形作用超过了惯性力的作用,此部分由地震动中位移响应控制.     

基于柱顶隔震的3层3跨地铁地下车站结构抗震性能研究

针对3层3跨框架式地铁地下车站结构抗震薄弱构件,采用在柱顶不同位置设置铅芯橡胶隔震支座的方法,建立土-地下连续墙-主体结构非线性静动力耦合相互作用的二维整体时域有限元分析模型,分析柱顶隔震支座对车站主体结构的侧向变形、地震损伤和动应力反应等结构地震反应特性的影响。结果表明,仅在抗震薄弱的顶层和底层中柱柱顶设置2层隔震支座与各层中柱柱顶设置3层隔震支座均可有效减轻中柱地震损伤程度,提高车站结构整体抗震性能。然而,仅在顶、底层中柱柱顶设置2层隔震支座时,会明显加重未设置隔震支座的中间层中柱地震损伤程度。此外,柱顶隔震支座的设置会削弱隔震体系的整体抗侧移能力,从而增大地铁地下车站结构地震侧移。总体上,建议采用各层中柱柱顶均设置隔震支座的措施提升地铁地下车站结构的整体抗震性能。     

拱形与矩形断面地铁车站结构地震反应比较研究

采用动力时程法开展了拱形与矩形断面地铁车站结构地震反应的研究,分析了拱形断面和矩形断面地铁车站结构的关键截面在地震作用下的内力及变形的差异。结果表明:相比于矩形断面车站结构,拱形断面车站结构顶板边缘处和侧墙顶端的弯矩明显减小,车站侧墙顶端和顶板边缘处因承受弯矩过大而发生破坏的可能降低;内柱截面的轴压比明显减小,且与侧墙的轴压比差异显著减小,受力分配更为合理;拱形车站结构顶、底板的相对位移、内柱和侧墙的位移角相对较小。在已模拟的工况下拱形车站内力分布形式更为合理,水平变形相对较小,更有利于抗震。     

某海底沉管隧道风塔及下部结构抗震性能分析

为研究某海底隧道风塔及下部结构体系在塑性阶段的损伤破坏形态及特点,探讨在多重荷载作用下弹塑性静动力响应对结构的影响,建立了沉管隧道风塔及下部结构的大型三维有限元模型。采用基于能量原理的混凝土塑性及损伤本构模型,借助大型有限元软件ANSYS及ABAQUS分别对结构进行不同地震条件下的动力时程分析,对比分析振型、层间位移角及较为完整的塑性损伤破坏系数曲线。结果表明:不同设防地震下,结构整体性良好,振型及层间位移角满足规范要求;不同罕遇地震下,该结构的混凝土塑性拉压损伤最大时刻均发生在20 s,主要破坏区域在风塔与人防井及下部立柱的接触位置,且拉伸破坏系数明显高于压缩破坏。本文的研究成果可以为类似近海沉管隧道工程抗震设计提供一定的依据与指导。     

含软弱夹层场地中地下结构抗震分析的反应位移法误差分析

反应位移法是《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)和《地下结构抗震设计标准》(GB/T51336—2018)在均质场地或简单成层场地中推荐使用的地下结构抗震简化分析方法,对于软弱夹层场地中其适用性有待商榷。本文基于ABAQUS有限元分析软件,构造了一般成层场地和含软弱夹层场地,采用土-地下结构整体动力时程分析方法获得了不同工况下地下结构的地震反应。以此为基准,评价分析了反应位移法在含软弱夹层场地中的适用性。结果表明：较一般成层场地而言,含软弱夹层场地中反应位移法所得出的结构反应与动力时程分析方法相比误差更大,在含软弱夹层场地中反应位移法适用性显著降低;从地基弹簧、土层剪力和结构惯性力三方面分析了误差产生的原因,给出了含软弱夹层场地中可使用整体式反应位移法提高计算精度的建议。     

软土地区地铁车站地震响应分析

以天津市地铁3号线典型车站结构为研究对象,通过ANSYS有限元软件建立合理的软土地区土—地下结构相互作用模型,选用天津宁河、Taft波及天津人工波,分析该模型的频遇地震及罕遇地震作用效应。分析结果表明：不同地震波作用下位移响应幅值接近,且最大值出现时刻一致,位移变形均满足规范要求;天津宁河波作用下内力响应明显大于其他地震波的作用效应,且地铁车站结构抗震薄弱环节在框架底层中柱柱底位置。该研究成果可为天津市软土地区地铁车站结构的抗震设计提供参考。     

地铁车站的强地震反应分析及设计地震动参数研究

进行了地铁地下车站的地震反应分析,探讨了地铁车站地震反应的主要影响因素,介绍了地面与基岩间峰值相对位移的确定及其在地下结构抗震设计中的应用,初步研究了地铁车站埋深对结构地震反应的影响。分析结果表明,地震引起的地基变形是影响地下结构动力反应的决定性因素,结构峰值变形反应与自由场峰值变形反应之间近似存在简单的线性关系;相对于设计基本地震加速度,地面与基岩间峰值相对位移(PGRD)对于地下结构抗震分析及设计是一种更为合理的设计地震动参数。     

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。