地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能及分析方法研究

孫 超

(中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能及分析方法研究

孫 超

(中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

隨著全球經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展,地下空間的利用已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界重要的研究課題。越來越多的震害表明,地下結(jié)構(gòu)在強震作用下并不一定安全,甚至發(fā)生嚴(yán)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(jié)構(gòu)的損壞。研究地震作用下地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題是當(dāng)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(xiàn)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(wěn)定性受到了政府和社會的極大關(guān)注。本文以地鐵地下結(jié)構(gòu)為研究對象,對地下結(jié)構(gòu)抗震研究的主要方法進行了系統(tǒng)的總結(jié),對其中存在的問題及發(fā)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(yīng)用進行了詳細(xì)的介紹;對地鐵地下結(jié)構(gòu)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(gòu)模型應(yīng)用到地下結(jié)構(gòu)抗震分析中。基于混凝土損傷力學(xué)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(gòu)模型的基礎(chǔ)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(shù)發(fā)生相應(yīng)折減的損傷本構(gòu)模型(Damage-Model)。并在FLAC3D提供的用戶二次開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上,采用VC++開發(fā)出該本構(gòu)模型,最后通過數(shù)值模擬試驗比較了該損傷本構(gòu)模型與德魯克-普拉格模型的差異,說明了該損傷本構(gòu)模型的優(yōu)點。并通過采用該本構(gòu)模型分析大開地鐵車站的破壞機理,結(jié)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(gòu)模型的適用性。

(2)利用本文開發(fā)的本構(gòu)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(chǔ),采用本文開發(fā)的混凝土損傷本構(gòu)模型描述車站結(jié)構(gòu)的本構(gòu)特性,分析了日本神戶大開地鐵車站的動力反應(yīng)特性及破壞過程。在車站結(jié)構(gòu)與周圍土層間設(shè)置了接觸面單元,較好地模擬了震動過程中結(jié)構(gòu)與土層的接觸、脫開、滑移。認(rèn)識到豎向地震動加大了地下結(jié)構(gòu)所受豎向應(yīng)力峰值,加速了車站中柱的損傷破壞,是導(dǎo)致大開地鐵車站破壞的重要因素;中柱是大開地鐵車站結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頂板承擔(dān)巨大的上覆土層壓力,逐漸在頂板與側(cè)墻位置處發(fā)生塑性破壞,最后頂板以至于車站結(jié)構(gòu)整體垮塌。

(3)對地下結(jié)構(gòu)振動特性及其影響因素進行了較為系統(tǒng)的研究,總結(jié)了地下結(jié)構(gòu)振動特性的基本特征。對地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)特性進行了比較,認(rèn)識到周圍土層的約束作用使得地下結(jié)構(gòu)振動特性與地面結(jié)構(gòu)完全不同;對地震中地下結(jié)構(gòu)所受動土壓力及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相對位移的變化規(guī)律;研究了豎向地震動作用下地下結(jié)構(gòu)的振動特性,發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)頂、底板處豎向應(yīng)力遠大于土中相應(yīng)深度位置處的豎向應(yīng)力;研究了覆蓋土層厚度對于地下結(jié)構(gòu)頂?shù)装逅轿灰撇畹挠绊?結(jié)果表明,當(dāng)覆蓋土層厚度超過地下結(jié)構(gòu)高度后,結(jié)構(gòu)水平位移差隨覆蓋土層厚度程線性增長規(guī)律;最后分析了地下結(jié)構(gòu)的存在對于周圍場地水平及豎向加速度反應(yīng)的影響。

(4)提出了一種適用于求解剪切波作用下地下結(jié)構(gòu)頂?shù)装逅轿灰撇罘逯档膶嵱每拐鸱治龇椒īさ刃?cè)移剛度比法。依據(jù)不同的地下結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度簡化方案提出了三種不同的側(cè)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(yīng)用等效側(cè)移剛度比法需要首先求解地下結(jié)構(gòu)相應(yīng)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(cè)移剛度比法的相互作用系數(shù),即可求得該地下結(jié)構(gòu)頂?shù)装逅轿灰撇罘逯?。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(jié)構(gòu)形式)采用該方法與數(shù)值模擬分析方法進行比較,驗證了該方法的適用性。

地下結(jié)構(gòu);抗震分析;本構(gòu)模型;混凝土損傷;振動特性;等效側(cè)移剛度比

TU352.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.016