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。     

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。     

复杂大型地铁地下车站结构非线性地震反应分析

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,对上层为五跨和下层为三跨的地铁车站结构的抗震性能进行数值计算,考虑了土体与混凝土的强非线性特性和土与结构接触非线性特性,分析了结构的层间位移反应特征和结构构件连接部位的应力反应规律,以及结构构件的动态损伤演化规律.研究结果表明:车站结构柱子底端的应力反应大于顶端的应力反应,边柱底端的反应大于中柱底端的反应,下层柱底的应力反应大于上层柱底的应力反应;车站结构的上层侧墙的顶底部结点的应力反应明显比下层侧墙的对应位置结点处的要大;车站结构顶板的中跨端部结点的应力反应明显比侧边跨和侧中跨的要大;车站结构中板的侧中跨端部的应力反应明显比中跨端点处的要大,同时中跨端点处的应力反应又要比侧跨端部的要大;下层右中柱及下层侧墙底部外侧均为破坏最为严重的区域.研究成果对提高该类地铁车站结构抗震性能的认识及其抗震设计水平提供合理的参考与指导.     

基于土-结构相互作用的地铁车站抗震研究

以土—结构动力相互作用理论为基础,对于不考虑核爆炸荷载作用下地铁车站的抗震问题进行了探讨,提出了抗震设计建议。     

预制+现浇装配式地铁地下车站结构地震反应的三维有限元分析

目前对装配式结构的抗震性能研究较少,尤其对装配式地下结构的抗震性能研究尤为缺乏。鉴于此,本文以实际新型预制装配+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,通过建立土-地连墙-装配式地下车站结构的二维和三维两种非线性整体有限元模型,分析了该类新型车站结构的整体抗震性能。结果表明:采用带肋梁预制装配板与现浇钢筋混凝土板的叠合楼板和钢管混凝土中柱的施工工艺能够明显增强结构抗震性能;同时发现二维有限元模型的计算结果高估了车站结构中柱顶底端的地震损伤程度,而低估了车站结构纵梁与中柱连接部位的地震损伤程度。在强地震作用下,建议采用土与地下结构非线性动力相互作用的三维有限元分析模型来真实反应车站结构中柱和纵梁的抗震性能。     

软土地区地铁车站结构的非线性地震反应分析

为了明确天津市软土地基对地铁车站的结构地震反应的影响规律,以天津市地铁3号线的昆明路站为工程背景,采用数值模拟分析的方法,研究了该地铁站的地震反应。通过建立二维平面有限元模型,分析了结构抗震薄弱环节及结构抗震性能的影响因素。研究结果表明:天津宁河波作用下结构中柱内力响应明显大于其他构件,且柱底连接处内力幅值最大,为结构抗震薄弱环节;周围土层的弹性模量及上覆土层厚度对结构抗震性能的影响更明显,而结构自身的等效弹性模量对结构抗震性能影响不明显。研究成果丰富了软土地区地铁车站抗震设计理论,对地铁车站的优化设计具有重要意义。     

基于分体柱的地铁车站结构抗震性能研究

浅埋地下车站结构中柱和地面高层结构底层中柱相似,地震作用下均需承担较大的竖向压力,易因变形能力不足发生脆性破坏。在某2层3跨地铁车站结构中引入地面高层结构中的分体柱设计理念,形成新型地下车站结构抗震体系。首先,通过拟静力推覆分析对比了传统钢筋混凝土中柱和分体柱在轴向压力作用下的水平变形特性;然后,建立了土-结构相互作用的拟静力推覆分析有限元模型,从关键截面内力、关键构件变形能力、关键构件塑性损伤等角度对比了传统钢筋混凝土中柱和分体柱的地下结构抗震性能差异。研究结果表明,将分体柱应用于2层3跨地铁车站结构中可提高整体结构抗震性能,其工作机理是避免分体柱承担过大的剪力和弯矩,并充分发挥分体柱竖向支撑能力和水平变形能力。     

ECC-BFRP加固地铁车站抗震性能研究

为提升高烈度地区地铁车站结构的抗震性能,文中以西安某黄土场地地铁车站结构为背景,提出应用ECC-BFRP复合层来加固地铁车站结构中柱。利用有限元软件Abaqus建立土-地铁车站结构相互作用体系三维有限元模型,分别对水泥砂浆（Mortar）加固、ECC加固、Mortar-BFRP和ECC-BFRP复合层加固情形下地铁车站结构以及未加固情形下地铁车站结构的地震反应进行了对比分析,获得了不同加固措施下地铁车站的位移响应以及整体和局部构件塑性发展变化规律。研究结果表明：采用ECC-BFRP复合加固可有效提升地铁车站中柱的刚度,减小车站的整体地震反应;同时,中柱的塑性发展程度明显减小,其它构件的塑性应变分布较为均匀,车站的抗震性能得到了有效提升。研究成果可为地下结构抗震加固设计提供重要参考。     

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。     

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。     

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。     

土-大型地铁地下车站结构动力接触效应研究

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,考虑土与地铁车站结构非线性动力相互作用效应,分析了土与地下结构接触面的动力分离与滑移效应、土与地下结构接触面上动土压力和动摩擦力的分布规律与反应幅值,以及动力接触效应对地铁车站结构动力反应的影响规律。研究结果表明：强地震发生时,在地铁地下车站结构侧墙顶端,出现了土与结构接触分离现象,在车站结构顶底板处,土与结构产生了相对滑移现象;考虑动力接触效应时,地下结构总体动力反应是变小的。给出了车站结构侧墙上动土压力分布规律及其动土压力系数,以及车站结构顶底板上的动土压力分布规律及其反应幅值。研究结果对进一步了解土与地下结构的动力接触效应及其对地下结构动力反应的影响,具有一定的参考价值和指导意义。     

三层地铁车站振动台试验的数值模拟

进行了三层地铁车站大型振动台试验,获得了可靠的试验数据。通过室内实验获取了模型材料和土体材料的力学参数。基于ABAQUS有限元计算平台,建立了振动台试验的二维有限元模型,处理了混凝土本构模型及其参数的选取、土体本构模型及其参数的选取、阻尼设置、边界条件设置等问题。对多种工况下的试验结果和模拟结果进行了对比分析。结果表明,按照本文建议的建模方法,可以很好地重现振动台试验,数值模拟结果无论在趋势上还是数值上都和试验结果符合得很好。     

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。     

单层球面网壳结构的柱顶隔震研究

以带下部混凝土支承结构的单层联方型球面网壳为研究对象,针对工程实际中支承刚度过强的情形,提出了柱顶隔震的方法,从而改善了整体结构的抗震性能。非线性时程分析表明,多遇地震作用下LRB能在一定程度上降低支座反力,且使支座反力分布趋于均匀,降低了支座设计的要求;罕遇地震作用下LRB支座基本进入塑性状态,支座反力维持在屈服力附近,与原结构相比有大幅度的降低,支座滞回曲线饱满,同时上部网壳的塑性发展程度大大减轻,基本保持为弹性,取得了良好的减震效果。     

双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构地震响应分析

地铁车站结构作为现代城市交通工程的重要组成部分,其抗震问题已成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重点与难点。以深圳地铁3号线四期低碳城单拱大跨车站为研究对象,采用近场波动有限元方法,建立三维土-结构相互作用整体有限元分析模型。选取3条人工波和3条天然波作为输入地震动,分析水平单向地震动、水平与竖向双向地震动作用下单拱大跨地铁车站结构三维地震响应规律。研究结果表明,双向地震动作用下单拱大跨无柱结构及矩形框架有柱结构的水平位移及层间位移均略小于单向地震动作用下,但矩形框架有柱结构在竖向地震动作用下的中柱轴压比明显增加,说明单拱大跨车站结构可有效降低双向地震动作用下中柱轴压比变大的风险;双向地震动作用下的结构峰值弯矩大于单向地震动作用下,说明进行结构设计时应适当考虑竖向地震动作用的影响;单拱大跨无柱结构拱顶弯矩明显小于矩形框架有柱结构顶板跨中弯矩,改善了常规矩形框架结构顶板受力性能,但由于单拱大跨无柱结构缺少中柱竖向支撑作用,其底板及侧墙底部弯矩明显大于矩形框架有柱结构,尤其在双向地震动作用下更明显,因此单拱大跨无柱结构需加强底板及侧墙的厚度与配筋,以抵抗较大的弯矩响应。     

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。     

高层分段隔震结构的动力响应分析

本文提出了一种基于叠层橡胶支座的大高宽比高层建筑分段隔震结构形式,并对同一高层建筑结构分别采用基础隔震、层间隔震和分段隔震三种不同形式时进行了数值模拟对比分析。结果表明,采用分段隔震形式可明显减小高层建筑结构的顶层侧向位移、中间隔震层的相对位移和下支柱端应力,使结构的侧向位移集中于两个隔震层上,耗散了大部分地震输入能量,保障了与隔震层相连的构件的安全性,防止了由于支座受拉或剪压破坏导致上部结构倾覆倒塌现象的发生。     

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。