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。     

黄土地区地铁地下车站地震变形特性研究

在黄土场地与地铁地下结构动力相互作用的振动台试验中,测得地铁车站结构的应变反应。基于实测数据分析地铁车站的应变反应特征,对比不同观测面内应变反应,分析地铁车站应变反应的空间效应,对地铁车站地震破坏特点进行描述。结果表明:随输入峰值加速度增加结构应变增大;西安人工波作用下结构应变大于松潘波和Taft波作用下的应变。结构内应变表现为中柱较大,侧墙居中,顶、底板较小。地震动较小时,中柱应变表现为上层柱顶大于柱底,下层柱底大于柱顶,且上层柱顶大于下层柱底;侧墙顶、底部应变较大,中部较小;板构件两端应变较大,中部较小。受结构端部效应及土结相互作用中倾斜与扭转的影响,地铁车站应变反应具有显著的空间效应,在低频成分较发育的西安人工波作用下应变反应的空间效应更显著。研究结论可为黄土地区地铁地下结构的抗震设计及相关理论研究提供重要参考。     

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。     

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.     

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。     

地下结构动力反应特性数值模拟研究

通过数值模拟分析手段,比较分析了地下结构与地面结构动力反应特性的差异;专项研究了地震作用下地下结构所受动土压力变化规律以及地下结构与周围土层相对位移变化规律。结果表明:地下结构与地面结构相比动力反应物性存在较大不同;左右侧墙顶的动土压力峰值交替出现;侧墙的顶端和底端动土压力相对较大,出现了明显的应力集中;侧墙顶底部与周围土层最大脱开距离与侧墙中部相比较大。     

地面微倾斜可液化场地中地铁地下车站结构的地震反应研究

砂土液化造成了大量建筑物的破坏,但目前对砂土液化地基中地铁地下结构的地震反应研究相对较少,尤其对微倾斜液化地基中地铁地下结构地震反应的研究更为缺乏。基于有限单元法,采用已开发的砂土液化大变形动力本构模型模拟液化土层的剪切大变形,采用基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法的有限单元网格动态自适应调整技术解决土体液化大变形发生后有限单元的畸变问题,建立了地面微倾斜液化地基中土体-地下结构非线性动力相互作用的数值分析模型,分析了地面倾角变化对地铁车站周围地基液化分布特征、车站结构周围土层侧移变形特征、地下结构上浮和应力反应的影响规律,揭示了微倾斜液化地基中地铁地下车站结构的地震反应特征。     

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.     

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。     

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.     

土层地震反应的数值模拟

利用土层地震反应分析的一维模型,系统地讨论了波动数值模拟时域算法的基本概念,首先阐明了模拟上层下卧基岩的精确辐射条件与多次透射公式之间的关系,给出了实现精确辐射条件的简化方法,然后将此边界条件与土层有限元运动方程结合,提出了半无限土层地震反应的一种解耦的有限元算法,本文还进行了这一算法的数值模拟试验,讨论了时域算法较之常用的频域算法的优点,复阻尼和粘性阻尼影响的差异以及研究与复阻尼理论对应的时域,     

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...     

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。     

变截面门式刚架稳定及地震反应研究进展

变截面轻钢门式刚架为我国单层大跨度工业和仓储建筑的主要结构形式.本文简要回顾了国内外变截面轻钢门式刚架稳定和地震反应研究的概况,介绍了其稳定分析及稳定设计方法的新进展以及地震反应理论分析、实验研究和分析方法的新进展,指出了目前在稳定和动反应研究及工程应用中存在的问题.针对我国相关现行规范在变截面门式刚架稳定和抗震设计方面规定的不足和存在的缺陷,提出了在稳定、地震反应及极限承载能力的判定方法等方面的研究建议.     

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。     

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。     

地铁车站对临近场地地震反应谱影响分析

考虑土—结构相互作用影响,分析在不同的地震波作用下不同结构形式地铁车站对临近场地地震动响应的影响规律。经过两次反演得到地铁车站所在深度的EL-Centro波,将此波形与生成的人工波分别作用于自由场地与包含地铁车站的两种地层结构,将得到的场地反应谱特性与自由场地表反应谱进行对比。由对比结果可知:在短周期部分地铁车站的存在使得地表加速度反应谱谱值变大,而在长周期部分,地表加速度反应谱谱值变化相对而言较小,即地铁车站的存在对地表加速度反应谱的长周期部分基本不影响;在不同地震波作用下,不同地铁车站结构对临近场地土反应谱的变化影响度因子曲线均呈倒"S"型,有唯一拐点;地铁车站结构的跨度与高度越大,其对周围场地土反应谱带来的影响越大。     

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。     

地下生命线工程地震反应的超声模拟

本文应用超声地震模型实验方法研究地下生命线工程的地震反应.按一般的场地条件,根据相似原理设计了地下生命线工程非均匀场地,均匀场地实验模型.除进行了解释震波传播的震相分析外.还重点展开了以质点振动为中心的一系列分析工作,结果表明:距离震中越近,地震地面运动的强度变化幅度及变化速率越大,从而对地下管线越不利;在软土覆盖层中,压缩波主要造成管线的径向弯曲变形.剪切波则主要引起管线的轴向伸缩变形或派生纵弯作用;当覆盖层较薄(厚度小于震波波长)时,地震地面运动强度的节律性变化,主要受基岩中震波波长的控制;地表覆盖层岩土性质,对地震地面运动强度有显著影响;不同性质的覆盖层介质对地震地面运动各分量的影响程度不同;波的传播效应使地表在不同时刻处在不同时刻处在不同的质点振动状态下,在横向突变的非均匀覆盖层条件下,不同岩土单元的的接触部位,将存在显著的振动相位差异和强度差异:由于地下管线与周围岩土层变形一致,故上述关于地震地面运动的结果,也即不同条件下地下管线的变形特点.需针对不同情况加强地下管线的抗震措施.      

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。