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。     

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。     

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。     

叠合装配式地铁车站结构地震动力响应及减震措施研究

地铁车站结构的减隔震技术目前仍处于起步阶段,缺少针对各类车站减隔震技术机理的系统性研究,故在“双碳”背景下开展装配式地铁车站的减隔震技术研究具有重要科学意义。以新型的“预制+现浇”的地铁车站为背景,建立叠合装配式地铁车站结构的有限元模型;以提升结构中柱抗震性能为目的,在中柱端部设置弹性滑移支座;利用动力时程分析法对比分析不同减隔震措施对叠合装配式车站结构地震响应特性的影响。结果表明：隔震支座的设置改善了车站结构的传力机制,抗震性能更好的侧墙承受了更多的地震荷载,有效地削弱了结构中柱的地震损伤程度;当隔震支座设置在柱顶时,整体隔震效果最为合理;隔震支座的摩擦系数对叠合装配式车站的抗震性能影响明显,且摩擦系数越小,对提高结构中柱的抗震性能越有利。研究结果可为类似地铁车站结构的减隔震工程提供参考。     

设置金属阻尼器的预制装配式剪力墙结构抗震性能分析

预制装配式结构是未来建筑结构发展趋势,但是其整体抗震性能是装配式结构的薄弱环节。因此,将作者提出的剪切型软钢阻尼器设置于实际预制装配式钢筋混凝土高层剪力墙结构的连梁中部,以此提高整体结构抗震性能。该文基于ABAQUS有限元软件平台,提出一种可以有效模拟该软钢阻尼器剪切性能的连接单元,将其应用于该装配整体式剪力墙结构中,进行有限元建模和弹塑性时程分析,通过对比减震前后结构的相关地震反应,分析结构在罕遇地震作用下的减震效果。分析结果表明,设置阻尼器的减震结构,损伤连梁的数量明显减少,连梁阻尼器具有良好的耗能性能,层间位移角、结构损伤、基底反力均有所有减小。因此,采用这种软钢阻尼器可以提高装配整体式剪力墙结构的整体抗震性能。     

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。     

不同配筋附加角钢板的预应力装配框架中节点抗震性能试验研究

通过对不同配筋率下现浇钢筋混凝土中框架节点和附加角钢板的预应力装配式混凝土中框架节点的低周反复荷载试验,研究了不同配筋率下现浇钢筋混凝土中框架节点和附加角钢板的新型预应力装配中框架节点的裂缝发展、破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线等抗震性能指标。结果表明:附加角钢板的新型预应力装配式中框架节点具有良好的抗震性能,提高配筋率在一定程度上可以提高节点的抗震性能。     

预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究进展（Ⅱ）：结构性能研究

阐述了预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究的重要性和预制钢筋混凝土剪力墙结构抗震性能研究的最新进展。综述了国内外预制钢筋混凝土剪力墙结构设计规范以及设计方法的研究进展。指出常规预制装配式钢筋混凝土剪力墙结构的抗震性能较差,在地震作用下,主要靠结构构件连接处的损伤和结构构件损坏来消耗能量;无粘结后张拉预应力预制混凝土剪力墙结构,在地震作用下具有自恢复中心能力和良好的抗震能力,但该结构体系的耗能能力不足。认为在预制钢筋混凝土剪力墙结构中设置耗能减震元件,或将预制钢筋混凝土剪力墙结构设计成隔震结构,将有效提高预制钢筋混凝土剪力墙结构的抗震性能。该类预制装配式剪力墙结构的抗震性能有待于进一步研究。     

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。     

插筋灌浆连接装配式钢筋混凝土剪力墙抗侧承载力分析

在地震荷载作用下,水平接缝处为装配式剪力墙结构的薄弱部位。为了研究带插筋灌浆连接的预制钢筋混凝土剪力墙的抗侧承载力,并比较其与现浇钢筋混凝土剪力墙承载力的区别,本文在已有试验的基础上对现浇和插筋灌浆连接装配式钢筋混凝土剪力墙进行了有限元建模。在此基础上,本文定义了插筋灌浆连接装配式钢筋混凝土剪力墙抗侧承载力折减系数并分析了轴压比、墙肢截面高度、墙肢厚度、灌浆料强度和插筋配筋率等参数对插筋灌浆连接装配式剪力墙破坏形态及承载力折减系数的影响。基于参数分析结果进行非线性回归分析,提出了插筋灌浆连接预制钢筋混凝土剪力墙承载力折减系数的简化计算公式。在工程参数的合理应用范围内简化公式计算结果与有限元计算结果吻合良好,可为插筋灌浆连接装配式预制钢筋混凝土剪力墙的抗震设计提供参考。     

Seismic performance of two-story subway station structures with different isolating systems

When the sliding bearing is fixed only at the top of the middle column of the underground structure, the cracks at the side end of the middle plate should be aggravated while the seismic damage of the mid-column should be alleviated. To enhance the seismic performance of the mid-plate, a new isolation design method has been mentioned while the elastic sliding bearings are set at the top of the mid-columns and between the side end of the mid-plate and the side wall at the same time. By establishing a nonlinear finite element analysis model for the static-dynamic coupling interaction system, the seismic response characteristics of the cast-in-place station structure without a sliding bearing have been analyzed and compared with those of the station structure with the sliding bearing fixed only at the top of the middle columns, and those of the station structure with sliding bearing be fixed between the mid-plate and the sidewall at the same time. The results show that the new isolation station structures suffer fewer earthquake damages at the mid-plate and mid-columns at the same time, which can improve the overall seismic performance of the subway station structure.     

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.     

埋深对地铁车站地震反应的影响分析

关于埋深对地下结构地震反应的影响的研究对象多见于地下隧道,对地铁车站地震反应受埋深影响变化规律缺乏深入研究。本文基于ANSYS有限元软件,采用改进的简化方法建立三种不同埋深的地铁车站结构有限元模型,以两种基岩波的水平向和竖向地震动作为激励,求解各模型中地铁车站结构重要部位的地震反应。分析不同埋深时地铁车站结构惯性作用、侧面土体和上部土体三个因素对地铁车站地震反应的影响情况。分析结果表明:在双向地震作用下,地铁车站侧壁弯矩、剪力、轴力和中柱轴力随埋深的增加而增加,中柱剪力和弯矩随埋深增加而减少。埋深越深,侧面土体对地铁车站地震反应影响越大;上部土体使中柱轴力不断增加;结构自身的惯性作用对其地震反应的贡献逐渐减小。     

基于ABAQUS高层剪力墙结构的有限元建模及其振动台试验验证

采用ABAQUS建立12层剪力墙结构的有限元模型,利用该结构1/5缩尺模型振动台试验时预留试块的材性试验结果及相似关系,确定相应原型结构材料的性能参数,将试验参数和我国混凝土结构设计规范给出的混凝土单轴受拉/压应力-应变关系曲线相结合,确定ABAQUS模型中混凝土损伤塑性模型所需的应力-应变参数;将试验参数和张劲公式法相结合,确定ABAQUS模型中混凝土损伤塑性模型所需的损伤因子参数。对比有限元分析结果和振动台试验结果,验证参数设置的有效性。ABAQUS有限元分析和振动台试验所得原型结构前三阶振型和自振周期相差很小,说明ABAQUS模型和参数设置能够反映并用于计算实际结构的弹性响应。ABAQUS有限元分析得到的结构损伤情况与试验模型的损伤情况基本一致;结构的顶点加速度曲线和滞回曲线等响应的有限元分析结果与试验结果在多遇地震作用下基本吻合,但由于振动台试验累积损伤的影响,两者的差异随着地震波幅值的增大而逐渐增大;ABAQUS有限元分析得到的位移包络曲线与剪力墙结构弯曲变形的特点相符。以上弹塑性分析结果进一步表明了ABAQUS模型和参数设置能够很好地模拟结构在地震作用下的响应。     

中间柱型黏滞阻尼器装配式钢框架减震性能研究

为研究黏滞阻尼器与装配式钢框架中间柱式连接的整体抗震性能,且跨内不同位置的减震效率,设计出3个足尺的三层装配式钢框架结构:无控结构、柱靠边布置结构和柱居中布置结构,利用振动试验台对其进行测试,对比研究模型结构的地震反应,并采用有限元软件SAP2000进行模拟验证。试验和数值模拟结果均表明:无控结构在地震输入下地震反应较大,对其附设黏滞阻尼器后,地震响应得到有效控制,且柱居中布置结构的附加阻尼比高于柱靠边布置结构,其减震效果更优。     

基于小型超高性能混凝土壳的装配式柱脚连接抗震性能试验研究

常规装配式混凝土柱脚连接常采用灌浆套筒作为连接方式,为克服地震作用损伤集中于连接区而不利于抗震和修复的问题,提出了一种基于小型超高性能混凝土(UHPC)壳的装配式柱脚连接。采用UHPC预制成环形壳状,设置于预制混凝土柱脚区域,控制该柱脚连接在地震作用下损伤出现的部位。进行了3个足尺试件的试验,对比分析了滞回和骨架曲线、强度和刚度退化以及耗能能力,研究了预制UHPC壳尺寸对抗震性能的影响,提出了骨架曲线简化计算模型。结果表明：该连接形式在地震作用下的混凝土破坏区域转移至UHPC壳上边缘;抗震性能总体良好;较厚较短的UHPC壳更加有利于提高基于小型UHPC壳的装配式混凝土柱脚连接的抗震性能;提出的简化计算模型在一定程度上反映了该连接的内在机理,可用于该连接形式的分析和设计。     

Development of elasto-plastic viscous damper finite element model for reinforced concrete frames

By advancing the technologies regarding seismic control of structures and development of earthquake resistance systems in the past decades application of different types of earthquake energy dissipation system has incredibly increased. Viscous damper device as a famous and the simplest earthquake energy dissipation system is implemented in many new structures and numerous number of researches have been done on the performance of viscous dampers in structures subjected to earthquake. The experience of recent severe earthquakes indicates that sometimes the earthquake energy dissipation devices are damaged during earthquakes and there is no function for structural control system. So, damage of earthquake energy dissipation systems such as viscous damper device must be considered during design of earthquake resistance structures.This paper demonstrates the development of three-dimensional elasto-plastic viscous damper element consisting of elastic damper in the middle part and two plastic hinges at both ends of the element which are compatible with the constitutive model to reinforce concrete structures and are capable to detect failure and damage in viscous damper device connections during earthquake excitation. The finite element model consists of reinforced concrete frame element and viscous damper element is developed and special finite element algorithm using Newmark׳s direct step-by-step integration is developed for inelastic dynamic analysis of structure with supplementary elasto-plastic viscous damper element. So based on all the developed components an especial finite computer program has been codified for “Nonlinear Analysis of Reinforced Concrete Buildings with Earthquake Energy Dissipation System”. The evaluation of seismic response of structure and damage detection in structural members and damper device was carried out by 3D modeling, of 3 story reinforced concrete frame building under earthquake multi-support excitation.     

采用非线性纤维梁单元法的钢管混凝土组合框架动力响应分析

钢管混凝土结构已经广泛应用于我国高层和超高层建筑中,为研究该类结构的抗震性能,分别采用分离模量法和统一模量法对某13层钢管混凝土框架结构进行抗震性能分析,研究不同地震波作用下组合框架的模态和多遇地震下的弹性动力时程,对比组合框架顶点位移反应、加速度反应、层间侧移及动力放大系数等。研究结果表明,分离模量法和统一模量法建模方法在分析钢管混凝土框架抗震动力特性上总体相差不大,但前者可以考虑材料弹塑性,从而对结构弹塑性进行分析,而后者在弹塑性阶段需要用全曲线表达式,尚需进一步的研究。     

基于推覆分析的钢框架结构地震倒塌判别准则研究

结构地震倒塌判别准则是工程结构强震分析的关键问题。在层损伤模型的基础上,建立了基于推覆分析的建筑结构整体损伤模型,并以国内某2层2跨平面钢框架结构拟静力试验为背景,应用有限元程序ABAQUS对平面钢框架进行了强震倒塌数值模拟。分析了钢框架结构的倒塌破坏过程,基于建议地震倒塌判别准则研究了钢框架结构的损伤演化规律。结果表明:钢框架结构在强震作用下的损伤发展顺序与塑性发展顺序一致;基于推覆分析的结构整体损伤模型能较好的体现强震作用下钢框架结构的损伤演化规律,且在上下界处收敛;强震作用下,钢框架结构的初始损伤主要由结构的残余侧移引起,而后期损伤主要由结构的承载力和刚度退化引起。