地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理研究

孫海峰

1)中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2)黑龍江省地震局，哈爾濱150090

地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理研究

孫海峰1，2)

1)中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2)黑龍江省地震局，哈爾濱150090

為了解決車輛增多，城市交通擁擠等一系列問題，我國(guó)大中城市相繼開展了大規(guī)模的地鐵建設(shè)。我國(guó)已建成地鐵和有地鐵規(guī)劃的城市中有很多地區(qū)處于地震高發(fā)地帶，地下結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生震害，修復(fù)困難、代價(jià)昂貴，也將對(duì)其周圍的結(jié)構(gòu)造成不利的影響。大規(guī)模的地鐵建設(shè)使地鐵抗震問題成為城市工程抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究的重要課題。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律和地下結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理進(jìn)行研究，取得了如下研究成果:

1 大型模擬振動(dòng)臺(tái)三維疊層剪切箱的研制

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研制疊層剪切箱的基礎(chǔ)上，首次設(shè)計(jì)并制作了國(guó)內(nèi)最大的剛度可調(diào)的、可用于進(jìn)行大型三維模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的三維疊層剪切模型箱。通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)的實(shí)際測(cè)試和檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該剪切箱可使地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)較好地模擬半無(wú)限域中地下結(jié)構(gòu)三維地震反應(yīng)。

2 黏土層中地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

利用已研制的三維疊層剪切模型箱完成了一系列不同土層、不同工況的地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)首次在地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控。對(duì)試驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象和選取的兩次典型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)視頻監(jiān)控錄像進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過對(duì)比研究土層和地下結(jié)構(gòu)加速度和頻譜響應(yīng)規(guī)律以及對(duì)地下結(jié)構(gòu)應(yīng)變、卓越頻率衰減量規(guī)律和結(jié)構(gòu)內(nèi)視頻監(jiān)控錄像的分析，初步揭示了黏土層中地下結(jié)構(gòu)的震害機(jī)理與破壞模式。在地震荷載作用下，不同深度土體的剪切變形使地下結(jié)構(gòu)發(fā)生的層間相對(duì)位移是導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。地下結(jié)構(gòu)震害以柱頂及頂板和樓板與側(cè)墻的節(jié)點(diǎn)處破壞為主，并且破壞程度隨埋深的減小而增大。

3 大開車站地震破壞機(jī)理分析

通過對(duì)本次大型模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)大開車站中柱破壞現(xiàn)象的分析，揭示了神戶大開車站地震破壞機(jī)理:車站周圍土層的剪切運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大開車站產(chǎn)生層間相對(duì)位移，層間相對(duì)位移使車站中柱頂部和底部產(chǎn)生了較大的剪力和彎矩，過大的剪力和彎矩導(dǎo)致混凝土中柱出現(xiàn)裂縫、剝落，此時(shí)，中柱的鋼筋已經(jīng)失去保護(hù)層，承載力降低，隨著層間相對(duì)位移的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，中柱鋼筋逐漸彎曲形成“燈籠形”，核心混凝土在失去外部鋼筋承載力后，隨著層間相對(duì)位移的繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，核心混凝土逐漸破裂脫落，最終導(dǎo)致了車站的破壞。層間相對(duì)位移也在頂板和樓板與側(cè)墻節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生較大的彎矩，在豎向荷載和層間相對(duì)位移的共同作用下，頂板和樓板與側(cè)墻節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)裂縫，最終破壞。

4 可液化砂土層中地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

完成了可液化砂土層中地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過對(duì)比可液化砂土層中和黏土層中地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中加速度放大系數(shù)、應(yīng)變、卓越頻率衰減量規(guī)律和結(jié)構(gòu)內(nèi)視頻監(jiān)控錄像可以發(fā)現(xiàn)，相同峰值地震動(dòng)輸入時(shí)，相同埋深處的黏土層中地下結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)、應(yīng)變及卓越頻率衰減量大于砂土層中地下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)，這表明砂土液化對(duì)地下結(jié)構(gòu)有減震作用。從試驗(yàn)后檢驗(yàn)也可發(fā)現(xiàn)，液化后的土體中，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎]有明顯的破壞，但液化后由于孔隙水壓力增加，使得模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯上浮，當(dāng)孔壓消散后，模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了沉降。對(duì)于本次試驗(yàn)，由于砂土層是水平成層的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H是獨(dú)立的地鐵車站模型，結(jié)構(gòu)上浮或沉降基本上是均勻的，而在實(shí)際地鐵工程中，隧道或地鐵車站多處于不均勻土層中，液化后將導(dǎo)致嚴(yán)重的不均勻上浮或沉降，這將引起隧道或結(jié)構(gòu)的斷裂等嚴(yán)重破壞。

5 三維有限元數(shù)值模擬分析

為了實(shí)現(xiàn)在ABAQUS中用有限的模型土模擬半無(wú)限空間土體，探索了將加速度時(shí)程轉(zhuǎn)化為力時(shí)程，并在底邊界添加阻尼器的方法來實(shí)現(xiàn)在ABAQUS應(yīng)用粘性邊界條件的方法，并通過波源問題和散射問題證明了此方法的合理性。

分別建立了模型試驗(yàn)及原型地鐵車站三維有限元數(shù)值模擬模型，并將粘性邊界條件及土體等效非線性化模型參數(shù)確定方法引入ABAQUS。通過對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果和模型數(shù)值模擬結(jié)果，檢驗(yàn)了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。對(duì)原型結(jié)構(gòu)的三維有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步揭示了地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理:層間相對(duì)位移是多層地下結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，頂層柱頂和樓板與墻、柱節(jié)點(diǎn)處容易發(fā)生彎剪破壞，是整個(gè)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)中最薄弱環(huán)節(jié)。

(作者電子信箱，孫海峰:sunhaifeng3639@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.012

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);數(shù)值模擬;邊界條件;有限元;層間相對(duì)位移