孫 超

(中國(guó)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(guó)地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

隨著全球經(jīng)濟(jì)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(lái)越多的震害表明,地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)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(jí)地震,1995年日本7.2級(jí)阪神地震以及2008年我國(guó)四川汶川8.0級(jí)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(wèn)題是當(dāng)前巖土工程研究的熱點(diǎn)課題之一,具有重要的理論和實(shí)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(huì)的極大關(guān)注。本文以地鐵地下結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震研究的主要方法進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),對(duì)其中存在的問(wèn)題及發(fā)展方向進(jìn)行了討論和評(píng)述;對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的介紹;對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能、震害機(jī)理以及實(shí)用抗震分析方法進(jìn)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(qiáng)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(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)比較了該損傷本構(gòu)模型與德魯克-普拉格模型的差異,說(shuō)明了該損傷本構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)。并通過(guò)采用該本構(gòu)模型分析大開地鐵車站的破壞機(jī)理,結(jié)果與實(shí)際震害吻合較好,從而在一定程度上驗(yàn)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(guò)程并對(duì)破壞機(jī)理進(jìn)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(dòng)力反應(yīng)特性及破壞過(guò)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(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)與土層的接觸、脫開、滑移。認(rèn)識(shí)到豎向地震動(dòng)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(jī)理可以解釋為,在水平和豎向地震動(dòng)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(duì)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及其影響因素進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,總結(jié)了地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的基本特征。對(duì)地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特性進(jìn)行了比較,認(rèn)識(shí)到周圍土層的約束作用使得地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與地面結(jié)構(gòu)完全不同;對(duì)地震中地下結(jié)構(gòu)所受動(dòng)土壓力及結(jié)構(gòu)與土層的相對(duì)位移情況作了專項(xiàng)研究,揭示了動(dòng)土壓力及地下結(jié)構(gòu)相對(duì)位移的變化規(guī)律;研究了豎向地震動(dòng)作用下地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)頂、底板處豎向應(yīng)力遠(yuǎn)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(duì)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(guò)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(zhǎng)規(guī)律;最后分析了地下結(jié)構(gòu)的存在對(duì)于周圍場(chǎng)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?shí)用抗震分析方法─等效側(cè)移剛度比法。依據(jù)不同的地下結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度簡(jiǎn)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(chǎng)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(guò)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(jìn)行比較,驗(yàn)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(dòng)特性;等效側(cè)移剛度比

TU352.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.016