地鐵地下結構抗震性能及分析方法研究

孫 超

(中國地震局工程力學研究所,哈爾濱 150080)

地鐵地下結構抗震性能及分析方法研究

孫 超

(中國地震局工程力學研究所,哈爾濱 150080)

隨著全球經濟建設的快速發展,地下空間的利用已經成為學術界重要的研究課題。越來越多的震害表明,地下結構在強震作用下并不一定安全,甚至發生嚴重破壞。1985年墨西哥8.1級地震,1995年日本7.2級阪神地震以及2008年我國四川汶川8.0級地震都造成了大量的地下結構的損壞。研究地震作用下地下結構的穩定問題是當前巖土工程研究的熱點課題之一,具有重要的理論和實際意義。地鐵是現代城市的重要交通工具,是公眾較為集中的地下空間,其安全穩定性受到了政府和社會的極大關注。本文以地鐵地下結構為研究對象,對地下結構抗震研究的主要方法進行了系統的總結,對其中存在的問題及發展方向進行了討論和評述;對三維有限差分程序FLAC3D的基本原理、功能及其在巖土工程抗震中的應用進行了詳細的介紹;對地鐵地下結構的抗震性能、震害機理以及實用抗震分析方法進行了深入的研究,主要成果如下:

(1)將混凝土損傷本構模型應用到地下結構抗震分析中。基于混凝土損傷力學理論,采用Mazars提出的混凝土損傷演化方程確定的損傷變量,在德魯克-普拉格本構模型的基礎上,提出了一種能夠考慮混凝土損傷后材料強度、剛度等參數發生相應折減的損傷本構模型(Damage-Model)。并在FLAC3D提供的用戶二次開發環境的基礎上,采用VC++開發出該本構模型,最后通過數值模擬試驗比較了該損傷本構模型與德魯克-普拉格模型的差異,說明了該損傷本構模型的優點。并通過采用該本構模型分析大開地鐵車站的破壞機理,結果與實際震害吻合較好,從而在一定程度上驗證了該損傷本構模型的適用性。

(2)利用本文開發的本構模型成功地模擬了日本神戶大開地鐵車站地震破壞過程并對破壞機理進行了解釋。本文介紹了阪神地震中大開地鐵車站的震害情況,以FLAC3D軟件為基礎,采用本文開發的混凝土損傷本構模型描述車站結構的本構特性,分析了日本神戶大開地鐵車站的動力反應特性及破壞過程。在車站結構與周圍土層間設置了接觸面單元,較好地模擬了震動過程中結構與土層的接觸、脫開、滑移。認識到豎向地震動加大了地下結構所受豎向應力峰值,加速了車站中柱的損傷破壞,是導致大開地鐵車站破壞的重要因素;中柱是大開地鐵車站結構中的抗震薄弱環節,日本神戶大開地鐵車站的破壞機理可以解釋為,在水平和豎向地震動共同作用下,車站結構的損傷破壞從中柱最先開始,受損的中柱逐漸失去了支撐上部荷載的能力,從而使得車站結構頂板承擔巨大的上覆土層壓力,逐漸在頂板與側墻位置處發生塑性破壞,最后頂板以至于車站結構整體垮塌。

(3)對地下結構振動特性及其影響因素進行了較為系統的研究,總結了地下結構振動特性的基本特征。對地下結構與地面結構的動力反應特性進行了比較,認識到周圍土層的約束作用使得地下結構振動特性與地面結構完全不同;對地震中地下結構所受動土壓力及結構與土層的相對位移情況作了專項研究,揭示了動土壓力及地下結構相對位移的變化規律;研究了豎向地震動作用下地下結構的振動特性,發現地下結構頂、底板處豎向應力遠大于土中相應深度位置處的豎向應力;研究了覆蓋土層厚度對于地下結構頂底板水平位移差的影響,結果表明,當覆蓋土層厚度超過地下結構高度后,結構水平位移差隨覆蓋土層厚度程線性增長規律;最后分析了地下結構的存在對于周圍場地水平及豎向加速度反應的影響。

(4)提出了一種適用于求解剪切波作用下地下結構頂底板水平位移差峰值的實用抗震分析方法─等效側移剛度比法。依據不同的地下結構側移剛度簡化方案提出了三種不同的側移剛度修正方法,分別為固接修正法、鉸接修正法和平移修正法。應用等效側移剛度比法需要首先求解地下結構相應深度位置處自由場地的水平位移差峰值,然后再乘上等效側移剛度比法的相互作用系數,即可求得該地下結構頂底板水平位移差峰值。最后通過不同工況下(不同截面尺寸、不同地震波輸入、不同結構形式)采用該方法與數值模擬分析方法進行比較,驗證了該方法的適用性。

地下結構;抗震分析;本構模型;混凝土損傷;振動特性;等效側移剛度比

TU352.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.016