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。     

基于侧向地基回填隔震层的两层三跨地铁地下车站结构抗震性能分析

针对两层三跨地铁地下车站结构侧向采用不同含量橡胶颗粒土作为回填隔震层,建立土-地连墙-隔震层-主体结构静动力耦合非线性动力相互作用的二维整体有限元分析模型,分析设置不同含量的橡胶颗粒土侧向隔震层对地下车站主体结构的侧向变形、结构可恢复性以及地震损伤等结构地震反应的影响规律。结果表明:设置10%～20%含量的橡胶颗粒土隔震层可有效地减轻地震对车站结构的地震损伤程度,提高车站结构的震后可恢复性与抗震性能。然而,当输入峰值加速度大于0.2 g时,隔震层的设置会增大地下结构的侧向变形。总体上,建议基岩输入峰值加速度PBA≦0.2 g时,可采用10%～20%含量的橡胶颗粒土作为隔震层来提升地下车站结构的整体抗震性能。     

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。     

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.     

地震波输入方向对软土地区车站结构响应的影响

运用ANSYS软件,结合天津市地铁3号线昆明路车站工程,采用黏弹性人工边界,建立了土-地下结构相互作用的二维平面有限元模型,研究模拟了软土地区地铁车站在不同方向地震波作用下各个关键点内力、位移和应力的变化规律。研究结果表明:竖向地震波对结构的绝对位移影响较小,而对内力和应力的影响较大,能使内力提高5.18倍左右,竖向地震波在软土地区结构抗震设计中不可忽略;车站结构底板与中柱连接处地震响应最大,为结构抗震设计的薄弱环节。     

浅埋软土地铁车站地震响应数值分析

采用大变形和粘性边界条件,建立土-结构相互作用的二维动力模型,对浅埋软土场地地铁车站地震荷载作用下的动力响应进行数值研究,分析了地铁车站结构的水平相对位移反应和加速度反应,研究了地铁车站结构的埋深对结构地震位移的影响,并对地震作用下对地铁车站结构的内力进行了比较分析,对地铁车站结构的抗震设计提出了一些看法和对策.     

采用装配式钢管混凝土柱的地下车站结构抗震性能研究

采用钢管混凝土中柱可明显提升地下车站结构中柱的抗震性能,其中梁柱之间采用快速连接装置的装配式中柱又可进一步减小中柱的地震损伤。基于上述已有的研究结果,本文选取某单层双跨地下车站结构,分别建立了传统现浇中柱和装配式中柱的土-地下结构非线性静动力耦合相互作用的三维有限元分析模型,对比分析了快速连接装置壁厚对地下车站结构整体抗震性能的影响规律。结果表明：在保证结构整体安全性能和经济效益的同时,连接装置壁厚取为30～40 mm可最大程度地发挥预制钢管混凝土柱及其快速连接装置的减震效能。     

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。     

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。     

隧道与临近地面结构动力相互作用规律数值模拟

通过建立不同场地条件下隧道-土-上部结构相互作用的模型,研究有、无上部结构存在、场地条件和地震波频谱特性对隧道-土-上部结构体系地震响应的影响.计算结果表明:(1)对于隧道等地下结构,其地震响应主要受场地条件影响,不同场地条件隧道动内力值相差巨大,设计时应引起足够重视,相比之下有、无邻近上部结构对其影响较小;(2)S波...     

Seismic performance of three-dimensional frame structures with underground stories

This paper investigates the seismic performance of moment-resisting frame steel buildings with multiple underground stories resting on shallow foundations. A parametric study that involved evaluating the nonlinear seismic response of five, ten and fifteen story moment-resisting frame steel buildings resting on flexible ground surface, and buildings having one, three and five underground stories was performed. The buildings were assumed to be founded on shallow foundations. Two site conditions were considered: soil class C and soil class E, corresponding to firm and soft soil deposits, respectively. Vancouver seismic hazard has been considered for this study. Synthetic earthquake records compatible with Vancouver uniform hazard spectrum (UHS), as specified by the National Building Code of Canada (NBCC) 2005, have been used as input motion. It was found that soil–structure interaction (SSI) can greatly affect the seismic performance of buildings in terms of the seismic storey shear and moment demand, and the deformations of their structural components. Although most building codes postulate that SSI effects generally decrease the force demand on buildings, but increase the deformation demand, it was found that, for some of the cases considered, SSI effects increased both the force and deformation demand on the buildings. The SSI effects generally depend on the stiffness of the foundation and the number of underground stories. SSI effects are significant for soft soil conditions and negligible for stiff soil conditions. It was also found that SSI effects are significant for buildings resting on flexible ground surface with no underground stories, and gradually decrease with the increase of the number of underground stories.     

Numerical investigation on seismic performance of a shallow buried underground structure with isolation devices

A design procedure for improving the seismic performance of unequal-span underground structures by installing isolation devices at the top end of columns is proposed based on the seismic failure mode of frame-type underground structures and the design concept of critical support columns. A two-dimensional finite element model (FEM) for a soil-underground structure with an unequal-span interaction system was established to shed light on the effects of a complex subway station with elastic sliding bearings (ESB) and lead rubber bearings (LRB) on seismic mitigation. It was found that the stiffness and internal force distribution of the underground structure changed remarkably with the installation of isolation devices at the top end of the columns. The constraints of the beam-column joints were significantly weakened, resulting in a decrease in the overall lateral stiffness and an increase in the structural lateral displacement. The introduction of the isolation device effectively reduces the internal force and seismic damage of the frame column; however, the tensile damage to the isolation structure, such as the roof, bottom plate, and sidewall, significantly increased compared to those of the non-isolation structure. Although the relative slip of the ESB remains within a controllable range under strong earthquake excitation as well as frame columns with stable vertical support and self-restoration functions, the LRB shows a better performance during seismic failure and better lateral displacement response of the unequal-span underground structure. The analysis results provide new ideas and references for promoting the application of seismic isolation technology in underground structures.     

土、结构特性对饱和土-地下综合管廊动力相互作用影响分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型：在地应力平衡的静力状态下,采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下,采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,并将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同土体材料、结构特性以及土-结构接触摩擦对结构地震响应的影响,得出如下结论：（1）地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时,引起结构上的变形最大;（2）综合管廊结构管廊壁厚越薄,埋深越深,结构尺寸越大,结构刚度越小,结构变形越大;（3）不考虑土-结构接触面的状态非线性将会增大结构变形。     

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。     

支座沉降对大跨度钢结构连廊地震受力性能影响分析

在大跨度钢结构连廊的地震冲击影响分析中支座沉降都被忽略,而分析其受力情况对抗震性影响至关重要。研究支座沉降对大跨度钢结构连廊在地震中的受力性能变化,建立连廊结构在地震中的受力模型。做法为模型设定一个沉降量,计算支座沉降时,在地震冲击下连廊(包括钢框架和钢桁架)附加内力,再利用结构力学方法得到连廊附加弯矩图,得出沉降量对连廊钢框架地震冲击表达式,利用SAP2000软件分析不同沉降量下连廊钢桁架结构内力变化情况,得到连廊上、下弦杆在地震作用下的最大弯矩和最大轴拉力。实验结果表明,计算得到支座沉降后,连廊上弦杆和腹杆内动力系数最大值分别为0.17、0.15,比传统的时程分析法更接近相关规定值0.16,结果准确。     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

Seismic performance analysis of underground structures based on random field model of soil mechanical parameters

Soils with spatial variability are the product of natural history. The mechanical properties tested by soil samples from boreholes in the same soil layer may be different. Underground structure service in surrounding soils, their seismic response is controlled by the deformation of the surrounding soils. The variability of soil mechanical parameters was not considered in the current research on the seismic response of underground structures. Therefore, a random field model was established to describe the spatial variability of surrounding soils based on the random field theory. Then the seismic response of underground structures in the random field was simulated based on the time-domain explicit global FEM analysis, and the soil mechanical parameters and earthquake intensity influencing the seismic response of surrounding soils and underground structures were studied. Numerical results presented that, the randomness of soil parameters does not change the plastic deformation mode of surrounding soils significantly. The variation coefficients of inter-story deformation of structures and lateral deformation of columns are much smaller than that of mechanical parameters, and the randomness of soil parameters has no obvious effect on the structural deformation response.     

某桥梁桩基础的抗震计算研究

当前桩基础的抗震设计仅采取构造措施来保证其抗震性能,有可能会过高或过低地估计桩基础的抗震性能。针对某桥梁桩基础的抗震设计,建立全桥的三维有限元模型,计算在桩-土-结构共同工作情况下桩基础的地震响应,通过输入不同地震波来进行对比分析,并对结果进行复核,得出:(1)桩身内力响应与所输入地震动的频谱特性有关,桩身沿横桥方向的内力最大;(2)对于该场地的桥梁桩基础,桩-土-结构共同工作的有限元分析结果与m法结果差别不大;(3)当承台埋深为0时,桩身内力基本都偏大,要对承台侧土体做相应的加固处理。     

城市地下变电站非线性地震反应分析

为研究城市地下变电站结构及其内部电气设备的动力特性及地震反应规律,以西安市快速轨道交通二号线张家堡地下变电站为工程背景,依据黏弹性人工边界理论及有限单元法,建立考虑土体-结构-设备动力相互作用的三维有限元计算模型,首先通过半空间自由场模型验证了地震动输入方法的有效性,继而开展地下变电站系统的模态分析和动力时程分析,得到了该类结构的动力特性及地震响应规律。研究结果表明,结构上覆土体及电气设备在地震作用下产生的惯性力是结构构件应力增长的主要原因,8度罕遇地震作用下地下变电站内电气设备的加速度放大系数明显超出规范要求,需要采取相应保护措施。