地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)方法研究

鄒　炎

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)方法研究

鄒炎

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

隨著城市軌道交通系統(tǒng)， 尤其是地鐵的大規(guī)模建設(shè)， 城市軌道交通系統(tǒng)的安全問題已經(jīng)成為重中之重。 地鐵系統(tǒng)要在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行周期內(nèi)保證安全， 就必須具有良好的抗震性能。 對(duì)于地下結(jié)構(gòu)抗震問題， 模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是必不可少的兩種手段， 合理且簡(jiǎn)便的抗震設(shè)計(jì)方法是研究所要達(dá)到的目標(biāo)， 而地下結(jié)構(gòu)周圍土體材料的非線性動(dòng)力本構(gòu)模型是研究中的難點(diǎn)。 本文對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究， 取得了如下研究成果：

(1) 土的本構(gòu)模型。 根據(jù)Hardin和Drnevich提出的土體動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及其在非等幅往返荷載作用下的Pyke修正， 結(jié)合Dafilias和Popov等人提出的邊界面理論， 構(gòu)造了基于Hardin曲線的土體邊界面本構(gòu)模型， 并在ADINA中利用自定義材料的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了該本構(gòu)模型。

(2) 二維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。 采用Opensees對(duì)飽和砂土場(chǎng)地的地震反應(yīng)進(jìn)行了非線性動(dòng)力有限元分析， 并通過改變土性、 地震動(dòng)幅值、 持時(shí)、 頻率等因素后數(shù)值模擬的對(duì)比， 分析了各因素對(duì)可液化場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響； 然后對(duì)飽和砂土中帶中柱箱型隧道的地震反應(yīng)進(jìn)行了輸入不同幅值地震動(dòng)時(shí)的動(dòng)力計(jì)算， 分析了場(chǎng)地和結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)及其頻譜特性、 場(chǎng)地的永久變形、 隧道的變形和位移、 以及隧道的內(nèi)力分布， 揭示了可液化土層中箱型隧道的地震反應(yīng)規(guī)律和震害機(jī)理。

(3) 飽和砂土中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。 完成了飽和砂土中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)， 從孔壓、 土層加速度、 土層頻譜、 地下結(jié)構(gòu)加速度、 地下結(jié)構(gòu)頻譜、 動(dòng)土壓力和地下結(jié)構(gòu)應(yīng)變等方面分析了試驗(yàn)結(jié)果， 并觀測(cè)了宏觀的試驗(yàn)現(xiàn)象， 分析了飽和砂土場(chǎng)地以及其中埋置的地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律。

(4) 三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。 在Opensees計(jì)算平臺(tái)中建立了穿過飽和砂土和粘土分界面箱型隧道的三維有限元模型并且進(jìn)行了動(dòng)力數(shù)值計(jì)算， 對(duì)比分析了分界面兩側(cè)的土層和隧道的地震反應(yīng)， 此外， 亦分析了沿隧道縱向地表豎向位移、 隧道變形和隧道內(nèi)力的分布， 揭示了飽和砂土和粘土對(duì)隧道地震反應(yīng)的不同作用， 探索了穿過飽和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反應(yīng)規(guī)律和震害機(jī)理， 對(duì)實(shí)際工程建設(shè)中此類隧道的抗震研究具有重要意義。

(5) 地下結(jié)構(gòu)橫截面抗震設(shè)計(jì)方法。 詳細(xì)介紹了反應(yīng)位移法的原理和具體內(nèi)容， 以動(dòng)力時(shí)程計(jì)算的結(jié)果作為參照， 比較了幾種地基彈簧參數(shù)取值方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性； 然后在反應(yīng)位移法的基礎(chǔ)上提出了大震下地基彈簧參數(shù)取值的非線性修正， 并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證； 最后又依據(jù)地基彈簧參數(shù)取值的非線性修正， 進(jìn)而提出了基于反應(yīng)位移法的地下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化pushover分析方法， 并根據(jù)一具體算例對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

(6) 地鐵隧道縱向抗震設(shè)計(jì)方法。 介紹了幾種常見的隧道縱向抗震設(shè)計(jì)方法， 例如， BART法、 質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型法和反應(yīng)變位法等； 然后將樁-土相互作用的p-y曲線彈簧引入到了地鐵隧道的縱向抗震設(shè)計(jì)中， 建立了超長(zhǎng)隧道-地基土相互作用的p-y彈簧模型， 并且通過對(duì)該模型的Pushover分析給出了地鐵隧道的一種縱向彈塑性設(shè)計(jì)方法； 最后通過多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)超長(zhǎng)隧道-地基土相互作用的p-y彈簧模型進(jìn)行了動(dòng)力數(shù)值計(jì)算， 得到了隧道縱向內(nèi)力和變形的一些規(guī)律。

關(guān)鍵詞地下結(jié)構(gòu)抗震； 土體動(dòng)力本構(gòu)； 砂土液化； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； Opensees； 抗震設(shè)計(jì)方法

(作者電子信箱， 鄒炎： latro@qq.com)

中圖分類號(hào)：TU352.1+1；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.011