地下结构地震反应分析拟静力法与动力非线性时程法的比较

以典型的两层三跨地铁地下车站结构为研究对象,采用基于自由场位移场频域等效线性分析结果的反应位移法和反应加速度法分析地下结构的地震弯矩,并与基于ABAQUS软件的地下结构地震反应非线性时程分析的计算结果进行了比较,对比了不同地震动强度、结构刚度及顶板埋深对地下结构地震弯矩的影响。结果表明:输入地震动强度越大,拟静力法与动力非线性时程法计算结果之间的差异越大;地下结构刚度越大,两者之间的差异也越大;中等强度的地震动作用时,相对于动力非线性时程法的计算结果,浅埋结构的拟静力法结果偏大,深埋结构的拟静力法计算结果偏小;反应位移法和反应加速度法的计算结果差异很小。该研究结果对地下结构抗震设计方法的比选具有一定的指导意义。     

神户大开地铁车站的地震反应分析

本文对阪神地震中大开地铁车站的地震破坏机理进行了分析，复反应分析方法的计算结果表明大开车站的中柱在水平和竖向地震动作用下产生的较大内力，导致了整个地下结构的破坏；计算结果还表明在阪神地震中，竖向地震动作用下地下结构所产生的内力比水平地震动作用下产生的内力要大。     

地下结构抗震简化分析方法比较研究

地下结构抗震是当今地震工程领域重要的研究方向之一。迄今,国内外学者在地下结构抗震分析中提出了解析方法、数值分析方法和简化分析方法等多种理论。本文系统介绍了目前国内外常见的地下结构抗震简化分析方法,包括地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和地下结构Pushover分析方法。针对各分析方法的计算模型、关键参数、优缺点以及存在的问题进行了较为系统的评述,采用这些方法计算了日本阪神地震中损毁的大开地铁车站地震反应,并与严格的动力时程分析方法结果进行了比较,分析了各种方法的计算精度,可为进一步发展和完善现有的地下结构抗震简化分析方法提供参考。     

考虑时空耦联的等效惯性加速度加载的地下结构pushover分析

地下结构的薄弱环节在地震作用下可能发生破坏,进而影响整个结构体系的整体稳定性,地下结构的抗震能力成为结构工程领域研究的热点问题之一.在借鉴已有地下结构pushover分析方法的基础上,本文提出了一种考虑时空耦合的等效惯性加速度分布模式,详细介绍了该分布模式的求解步骤与基本特点,采用该方法对日本神户大开地铁车站进行了pu...     

地铁车站与横跨桥梁耦联破坏数值模拟

以典型的两层三跨形式地铁车站为研究对象,采用非线性动力时程反应分析方法,对软土场地的地铁车站与上部交叉桥梁模型进行数值模拟分析,给出了一种潜在的地铁车站-桥梁耦联破坏模式,分析了地铁车站与上部桥梁的地震动力相互作用.数值模拟结果表明:桥梁对车站的地震响应影响较小,车站发生破坏主要取决于地震作用及其本身的强度;地铁车站发...     

地震动峰值位移和峰值速度对地下结构地震反应的影响

针对3类不同的典型场地条件下的单层双跨地铁车站结构,采用土-地下结构整体动力时程分析方法,分析了地震动水平输入时峰值位移和峰值速度差异对地下结构地震反应的影响。结果表明,地震动峰值速度差异对地下结构地震反应的影响,在硬土场地条件下较大,中硬场地条件下次之,软土场地条件下最小;地震动峰值位移差异对不同场地条件下的地下结构的地震反应无明显影响。     

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。     

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。     

1995年阪神地震中大开车站破坏机理分析

1995年日本阪神地震中,神户市地铁车站的破坏被认为是首例直接受地震动破坏的地下结构。对大开车站破坏机理的研究现状进行了详细分析,以ABAQUS有限元软件为平台,采用粘弹性动力人工边界,等效荷载的地震波输入方法。土体和结构分别采用4节点平面应变减缩积分单元和梁单元,分别建立了仅考虑水平地震动作用和同时考虑水平和竖向地震动作用的土-结构有限元分析模型,分析了大开地铁车站结构的破坏机理。计算结果表明:竖向地震动的存在,会增大结构中柱的轴力,但对中柱的剪力和弯矩,以及结构其他位置的内力影响不大;大开车站的中柱主要是由于竖向振动引起柱子底端混凝土压碎破坏引起整个结构的破坏。     

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。     

An improved pseudo-static method for seismic resistant design of underground structures

This paper describes a commonly used pseudo-static method in seismic resistant design of the cross section of underground structures. Based on dynamic theory and the vibration characteristics of underground structures, the sources of errors when using this method are analyzed. The traditional seismic motion loading approach is replaced by a method in which a one-dimensional soil layer response stress is differentiated and then converted into seismic live loads. To validate the improved method, a comparison of analytical results is conducted for internal forces under earthquake shaking of a typical shallow embedded box-shaped subway station structure using four methods： the response displacement method, finite element response acceleration method, the finite element dynamic analysis method and the improved pseudo-static calculation method. It is shown that the improved finite element pseudo-static method proposed in this paper provides an effective tool for the seismic design of underground structures. The evaluation yields results close to those obtained by the finite element dynamic analysis method, and shows that the improved finite element pseudo-static method provides a higher degree of precision.     

基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法

对地下结构抗震Pushover分析方法进行了改进,采用自由场局部变形峰值作为目标位移,局部变形峰值时刻对应的土层水平加速度作为等效惯性加速度输入。给出了局部变形峰值和等效惯性加速度确定方式,详细介绍了基于自由场局部变形的地下结构抗震Pushover分析方法实施步骤、使用方法和功能特点。该方法更有针对性地考虑了强地震作用下不同埋深地下结构与土体的非线性特征以及两者之间的相互作用,通过分析变形和受力情况可以得到完整的能力曲线,更好地评估地下结构抗震性能。使用本文方法对3种埋深的地下结构进行计算,并与动力非线性分析结果进行对比研究。结果表明:本方法在计算稳定性和模拟精度方面优于基于自由场整体变形的Pushover方法;对于不同的输入地震波,能力曲线的吻合程度更高;在强震和罕遇地震情况下,对于深埋地下结构,计算结果略大于动力非线性结果,对实际工程而言更加安全。     

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。     

土体-结构界面接触对地下结构动力反应的影响

迄今为止,关于土体与结构交界面的接触效应对地下结构地震反应的影响尚未引起研究者们的重视,成果鲜有报道。本文基于接触面对法和非线性有限元波动分析方法,建立了考虑土体与结构界面接触效应的地下结构非线性地震反应分析模型和计算方法,并利用大型有限元软件ANSYS进行了求解。分析结果表明：土体与结构界面的接触效应对地下结构地震反应有明显影响,可能增大地下结构节点的峰值加速度、峰值位移和峰值应力反应;随着接触摩擦系数的增大,接触点的相对滑移逐渐减小,而接触应力的变化则无明显规律。     

循环往复加载的地下结构Pushover分析方法及其在地震损伤分析中的应用

考虑到地震作用下地下结构往往受到双向往复荷载作用,本文提出了循环往复加载的地下结构Pushover分析方法.介绍了该方法的实施步骤、基本功能与特点.该方法考虑了地震作用下地下结构双向受力的特点,利用多点位移控制的推覆分析算法进行地震作用下正向加载-卸载-反向再加载的全过程分析.该方法将一次循环加载过程近似看作一次地震作用过程,提出了基于循环往复加载Pushover分析的损伤模型,避免了对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析;通过一次循环往复加载的Pushover分析,根据结构构件刚度的改变对结构损伤进行有效评估.结合实际工程进行算例分析初步验证了循环往复加载Pushover分析及地震损伤模型的有效性.     

三层地铁车站振动台试验分析

为了探究多层地下结构地震破坏机理,进行了三层地铁车站振动台试验.试验采用微粒混凝土模型,严格按照相似比和配筋率对模型进行加筋配置.填土采用哈尔滨地铁施工挖掘出的扰动土.装土箱采用自主研制的层叠剪切箱以减小边界效应.通过对试验加速度和应变的分析可得到以下主要结论:(1)地下结构在地震中的破坏,主要是由位移控制的;(2)多...     

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。     

轨道交通地下结构抗震设计相关反应加速度法分析

通过梳理轨道交通地下结构抗震设计流程,明确抗震设计方法选择的原则和依据。在阐明反应加速度法基本原理基础上,引出土层地震反应分析的一维等效线性化法,并对影响土层地震反应计算结果关键参数进行讨论。针对一维土层地震反应得到的加速度时程提出合理拟合抛物线型二阶基线方程,可以消除加速度时程长周期随机分量引起的漂移问题,经自然积分可以得到消除基线漂移的位移时程;同时阐明数值分析软件Origin Pro有效解决积分得到位移时程的基线漂移问题并得到合理位移分布的途径和方法。以北京地铁3号线体育中心站为例,详细说明反应加速度法相关各个技术环节实现的方法和结果,并指出反应加速度法或位移法所依据的土层地震反应分析和位移时程的确定具有较强专业性,应做专项咨询分析工作;只有一维土层地震反应分析获得的加速度反应谱及时程客观合理,有限元计算所需相应地震动水平的等效剪切模量才可信;积分得到的位移时程需要有效消除基线漂移影响。只有上述相关结果真实客观可信,有限元计算结果才能模拟真实的土层-地下结构地震反应。     

Response of three Athens metro underground structures in the 1999 Parnitha earthquake

The M_s 5.9 earthquake of 1999 produced valuable records in three underground structures, as follows: (a) in the just completed cut-and-cover station of Sepolia two accelerographs recorded the free-field and the station-base motion; (b) in the still under-construction tunnelled station of Monastiraki an accelerograph recorded the ground surface motion, and (c) in the nearby Kerameikos station, abandoned for non-technical reasons, the temporary prestressed-anchor piled (PAP) wall was still in place and produced a record of total seismic displacement at its top. Directly or indirectly utilising these records, the article outlines the results of numerical analyses aimed at ‘recovering’ the complete seismic response of the three underground structures. Particular emphasis is given to Sepolia station, where the developed accelerations (with PGA of about 0.17 g at the station base and 0.43 g at the station roof) are shown to have been almost exactly equal to the design accelerations according to the seismic code under the assumption that the station responds as an aboveground structure. The successful performance of the two temporary structures, in Monastiraki and Kerameikos (which had been designed against minimal acceleration levels but experienced ground-surface high-frequency accelerations of the order of 0.50 g) is explained through dynamic response analyses.