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        基于Pushover 分析方法的多層地鐵車站地震反應(yīng)研究1

        2022-06-01 08:45:00羅永鴻張梓鴻許成順
        震災(zāi)防御技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:中柱側(cè)墻下層

        羅永鴻 張梓鴻 許成順 李 洋

        1)北京工業(yè)大學(xué),城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100124

        2)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)公司城市軌道交通中心, 北京100081

        引言

        通常,人們認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在土的約束作用下應(yīng)具有較好的抗震性能,然而在1995 年日本神戶大地震中(Iida 等,1996),大量的地鐵車站及區(qū)間隧道遭受了嚴(yán)重破壞,大開車站甚至出現(xiàn)了整體塌毀情況,這引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震問題的廣泛關(guān)注。

        當(dāng)前,大量關(guān)于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究主要針對(duì)大開地鐵車站展開。An 等(1997)通過數(shù)值計(jì)算分析,認(rèn)為大開地鐵車站地震破壞是由中柱變形能力和抗剪能力不足導(dǎo)致的,水平地震動(dòng)產(chǎn)生的剪切破壞是主因,豎向地震動(dòng)僅加大了破壞程度。曹炳政等(2002)采用復(fù)反應(yīng)分析方法,分析了大開地鐵車站破壞反應(yīng),認(rèn)為大開地鐵車站中柱在水平和豎向地震動(dòng)作用下產(chǎn)生較大內(nèi)力,且豎向地震動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)力較水平地震動(dòng)產(chǎn)生的大,最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)破壞。蔣錄珍等(2015)采用動(dòng)力時(shí)程分析方法模擬大開地鐵車站破壞,得出大開地鐵車站中柱破壞主要是由豎向地震動(dòng)引起柱底部混凝土壓碎造成的。莊海洋等(2008)通過數(shù)值模擬分析,認(rèn)為車站結(jié)構(gòu)頂板與側(cè)墻交叉部位和中柱頂、底部在地震作用下發(fā)生彎曲破壞,使側(cè)墻和頂板承擔(dān)的大部分豎向壓力傳遞給中柱,最終因中柱發(fā)生壓曲破壞導(dǎo)致車站頂板坍塌。杜修力等(2016,2017,2018)開展大量數(shù)值模擬分析,并通過模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證,對(duì)大開地鐵車站地震破壞機(jī)理給出了較全面的認(rèn)識(shí),即結(jié)構(gòu)上覆土體在豎向地震動(dòng)作用下使中柱軸壓比增大,隨著軸壓比的增大,中柱變形能力降低而抗剪能力增強(qiáng),進(jìn)而將承受更大的水平荷載,然后在水平剪切作用下發(fā)生脆性破壞,最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)塌毀。以上研究對(duì)于大開地鐵車站(單層車站)地震反應(yīng)與災(zāi)變機(jī)理的解釋相對(duì)全面、系統(tǒng)。當(dāng)前國(guó)、內(nèi)外新建的地鐵車站均以多層結(jié)構(gòu)為主,相較于大開地鐵車站,具有大體量、多層級(jí)和多構(gòu)件的復(fù)雜特點(diǎn)。因此,在對(duì)多層地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),不應(yīng)簡(jiǎn)單地參考學(xué)者前期對(duì)單層地下結(jié)構(gòu)地震破壞規(guī)律的認(rèn)識(shí)。由此可知,開展多層地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究具有重要意義。張佳等(2016)針對(duì)黃土地區(qū)2 層2 跨地鐵車站結(jié)構(gòu)開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究結(jié)果表明,中柱頂、底部及側(cè)墻與板構(gòu)件連接處為地鐵車站抗震薄弱部位。楊林德等(2003)開展了2 層3跨地鐵車站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明中柱地震反應(yīng)最大。景立平等(2012)開展3 層3 跨地鐵車站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在地震中的破壞主要由位移控制。莊海洋等(2006,2019);王建寧等(2020)和楊靖等(2020)利用動(dòng)力時(shí)程分析方法開展了多層地鐵車站結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究,并進(jìn)行了基于層間位移角的抗震性能水平劃分和物理描述。總體來講,當(dāng)前對(duì)于多層地下結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少,且數(shù)值模擬研究多采用動(dòng)力時(shí)程分析方法開展,由于多層結(jié)構(gòu)具有計(jì)算體量較大的特點(diǎn),因此采用動(dòng)力時(shí)程分析方法較難開展大量動(dòng)力反應(yīng)分析。

        地下結(jié)構(gòu)Pushover 分析方法是擬靜力分析方法(劉晶波等,2008),因具有較低的計(jì)算成本及簡(jiǎn)便易操作性的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。劉晶波等(2009)和還毅等(2011)采用動(dòng)力時(shí)程分析與擬靜力分析結(jié)果對(duì)比的方式,有效驗(yàn)證了地下結(jié)構(gòu)Pushover 分析方法的適用性和計(jì)算精度,表明該方法可較好地應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析。本文將采用地下結(jié)構(gòu)Pushover 分析方法對(duì)Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地9 座不同結(jié)構(gòu)形式的地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行系列擬靜力推覆分析,由此系統(tǒng)研究多層地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和薄弱環(huán)節(jié),旨在對(duì)多層地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 工程概況

        由《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909-2014)可知,工程場(chǎng)地類別根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度劃分為Ⅰ~Ⅳ類。目前,在我國(guó)已修建地鐵的城市中,通常以Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地為主,主要分布在華北地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)和大部分華中地區(qū)。相比之下,Ⅰ、Ⅳ類場(chǎng)地較少,Ⅳ類場(chǎng)地多分布在長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū),整體來講,分布區(qū)域較局限,Ⅰ類場(chǎng)地通常分布在川渝和云貴地區(qū),而該地區(qū)地鐵修建量極少。因此,本文僅選取Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地條件下的國(guó)內(nèi)既有多層地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

        車站所在場(chǎng)地平均剪切波速為206~370 m/s,土層信息豐富多樣,主要包含砂土、粉土、填土、黏土、卵石等,本構(gòu)關(guān)系曲線如圖1 所示(杜修力等,2019)。

        圖1 場(chǎng)地巖土力學(xué)特性Fig. 1 Geotechnical characteristics of the site

        所選取的地鐵車站結(jié)構(gòu)均為常見的矩形框架結(jié)構(gòu),如圖2 所示,包含了2 層2 跨、2 層3 跨、3 層3 跨多種斷面形式,車站高度為13~23 m,車站寬度為19~26 m,中柱皆為矩形截面,截面面積為0.6~1.2 m2。車站側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30~C45,中柱混凝土等級(jí)為C40、C50,中柱配筋率為2.0%~4.0%。

        圖2 典型地鐵車站橫斷面示意圖Fig. 2 The cross-section diagram of typical subway station structure

        2 數(shù)值計(jì)算

        2.1 模型建立

        基于ABAQUS 有限元軟件,以地鐵車站橫斷面為研究對(duì)象,建立有限元分析模型,如圖3 所示,以基巖面作為整體模型底部邊界,結(jié)構(gòu)兩側(cè)場(chǎng)地寬度選取結(jié)構(gòu)寬度的3 倍(單側(cè))。整個(gè)模型底部邊界固定,側(cè)向邊界采用捆綁邊界,近似地考慮場(chǎng)地在地震作用下進(jìn)行層狀剪切運(yùn)動(dòng)。土與結(jié)構(gòu)之間采用ABAQUS 接觸面行為模擬,即法向采用硬接觸,單元之間相互不侵入。切向采用摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.4。鋼筋采用嵌入方式建于混凝土內(nèi),計(jì)算過程中不考慮鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移。土體本構(gòu)關(guān)系采用Martin 等(1982)改進(jìn)的Davidenkov 骨架曲線非線性黏彈性模型模擬,相關(guān)擬合參數(shù)如表1 所示,具體模型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

        表1 Davidenkov 模型參數(shù)Table 1 The values of Devidenkov model parameters

        圖3 土-地下結(jié)構(gòu)相互作用幾何模型Fig. 3 Geotechnical model of soil-structure interaction

        式中, τ(γ)為 剪應(yīng)力,G與Gmax分 別為剪切模量與最大剪切模量; γ 為剪應(yīng)變, γ0、a、b均為土性擬合參數(shù)。

        采用混凝土塑性損傷本構(gòu)模型模擬混凝土力學(xué)行為,采用三維實(shí)體八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元離散混凝土和土體,采用三維二節(jié)點(diǎn)桿單元離散鋼筋網(wǎng)架。土體按照數(shù)值模擬精度要求離散,單元網(wǎng)格尺寸小于1/6~1/8 最小波長(zhǎng),對(duì)結(jié)構(gòu)所在位置相鄰?fù)馏w進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

        2.2 分析方法

        土-地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在地震作用下的反應(yīng)以一階振型為主,高階振型的影響相對(duì)較小,因此借鑒地上結(jié)構(gòu)Pushover 分析中常用的倒三角形分布形式加載的思想,對(duì)土-地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行推覆分析時(shí),采用倒三角形水平慣性加速度分布形式,逐級(jí)增大地震動(dòng),直至地下結(jié)構(gòu)完全破壞。相關(guān)文獻(xiàn)(劉晶波等,2009)顯示,在Pushover 分析中采用倒三角形加速度分布形式與動(dòng)力計(jì)算結(jié)果符合較好。本文關(guān)注地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震動(dòng)作用下的破壞演化過程和失效模式,因此在水平荷載施加過程中不設(shè)置目標(biāo)位移。

        在以往的地下結(jié)構(gòu)Pushover 分析中,均未對(duì)豎向地震動(dòng)作用進(jìn)行考慮。為此,本文在水平加速度施加前,將豎向地震動(dòng)幅值采用與水平加速度一致的倒三角形式施加至模型中,近似地考慮豎向地震動(dòng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震破壞反應(yīng)的影響,模型計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

        圖4 地下結(jié)構(gòu)Pushover 分析方法力學(xué)模型Fig. 4 The mechanical analysis model of underground structure pushover method

        3 分析結(jié)果

        Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地整體宏觀現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)內(nèi)力基本一致,目前Ⅲ類場(chǎng)地地鐵車站較常見,因篇幅所限,僅對(duì)Ⅲ類場(chǎng)地2 層2 跨、2 層3 跨、3 層3 跨結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

        3.1 2 層2 跨結(jié)構(gòu)

        2 層2 跨車站結(jié)構(gòu)在地震作用下,上層中柱頂部和下層中柱底部首先出現(xiàn)較明顯的損傷,且下層柱底部損傷程度略大于上層柱頂部,其他部位未出現(xiàn)明顯損傷,如圖5(a)所示。隨著地震作用(推覆作用)的增大,結(jié)構(gòu)變形逐漸增加,柱端損傷逐漸向柱中擴(kuò)展,同時(shí)結(jié)構(gòu)部分板、墻交叉位置附近開始出現(xiàn)輕微損傷,如圖5(b)所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)中柱損傷達(dá)一定程度時(shí),呈現(xiàn)出S 形破壞形態(tài),且損傷主要集中在柱中位置,此時(shí),結(jié)構(gòu)大多數(shù)位置出現(xiàn)了明顯損傷,且主要集中在結(jié)構(gòu)板、墻交叉位置附近,由于中柱破壞而喪失豎向承載力,導(dǎo)致頂板出現(xiàn)一定程度的下塌破壞,如圖5(c)所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生明顯的破壞時(shí),中柱是結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重的構(gòu)件,如圖5(d)所示,由此推斷中柱是2 層2 跨車站結(jié)構(gòu)抗震薄弱構(gòu)件。

        為進(jìn)一步確定2 層2 跨車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震構(gòu)件與易損位置(薄弱環(huán)節(jié)),同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)宏觀破壞過程(圖5),提取側(cè)墻、板、中柱最大損傷位置受壓損傷因子進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6(a)可知,中柱損傷發(fā)展較快,在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的損傷程度;相比之下,側(cè)墻損傷發(fā)展速度滯后于中柱,板損傷演化速度與累計(jì)損傷程度均明顯低于中柱和側(cè)墻,側(cè)墻、板、中柱損傷演化速度及累計(jì)損傷程度排序?yàn)橹兄緜?cè)墻>板,可知中柱是地下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震構(gòu)件,側(cè)墻次之。為系統(tǒng)研究關(guān)鍵抗震構(gòu)件薄弱位置,分別將中柱、側(cè)墻頂部、側(cè)墻底部損傷時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖6(b)、6(c)所示。由圖6(b)可知,對(duì)于2層2 跨車站結(jié)構(gòu),上層柱柱頂和下層柱柱底損傷較明顯,中板附近上層柱柱底和下層柱柱頂損傷較小,這主要是由于中板厚度較小,對(duì)中柱的約束作用較低,導(dǎo)致對(duì)該位置的彎曲作用降低。由圖6(c)可知,下層墻頂、底部損傷均大于上層墻,側(cè)墻相對(duì)于中柱是連續(xù)構(gòu)件,體量相對(duì)較大,導(dǎo)致下層墻軸壓比明顯大于上層墻,因此降低了下層墻水平變形能力,在推覆作用下易產(chǎn)生較大的損傷。

        圖5 推覆過程中混凝土受壓損傷(2 層2 跨結(jié)構(gòu))Fig. 5 Concrete compression damage during nappe(2 floors 2 spans)

        圖6 受壓損傷對(duì)比(2 層2 跨結(jié)構(gòu))Fig. 6 Comparison of Pressure Damage(2 floors 2 spans)

        下層柱承擔(dān)著較大的軸力與剪力,對(duì)比柱頂、柱底發(fā)現(xiàn),上層柱柱頂軸力、剪力大于柱底,下層柱柱底軸力、剪力均大于柱頂,如圖7(a)、7(b)所示。墻底軸力、剪力明顯大于墻頂,下層墻軸力、剪力明顯大于上層墻,如圖7(c)、7(d)所示。上、下層側(cè)墻(一側(cè))承擔(dān)的剪力明顯大于中柱,如圖7(e)、7(f)、7(g)、7(h)所示,對(duì)于2 跨結(jié)構(gòu)而言,每層中柱與兩面?zhèn)葔f(xié)調(diào)工作,因此兩面?zhèn)葔Τ袚?dān)的剪力大于中柱,由此可知,側(cè)墻是地下框架結(jié)構(gòu)主要水平承力構(gòu)件。在中柱出現(xiàn)損傷前,中柱承擔(dān)大部分軸力,出現(xiàn)損傷后,軸力逐漸由側(cè)墻分擔(dān)。下層柱層間位移角始終大于上層柱,這與下層柱損傷大于上層柱損傷的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng),如圖7(i)所示。

        圖7 結(jié)構(gòu)內(nèi)力(2 層2 跨結(jié)構(gòu))Fig. 7 Structural diagram(2 floors 2 spans)

        3.2 2 層3 跨結(jié)構(gòu)

        2 層3 跨車站結(jié)構(gòu)在地震作用下,上、下層柱頂、底部首先出現(xiàn)較輕微的損傷,其他部位未出現(xiàn)明顯損傷,如圖8(a)所示。隨著地震作用的增大,柱端損傷逐漸向柱中擴(kuò)展,同時(shí)結(jié)構(gòu)部分板、墻交叉位置附近開始出現(xiàn)塑性損傷,此時(shí)下層柱損傷程度略大于上層柱,如圖8(b)所示。當(dāng)中柱損傷區(qū)域擴(kuò)展至整個(gè)構(gòu)件后,柱體呈現(xiàn)出S 形破壞形態(tài),上層柱損傷集中在柱體中上部,而下層柱損傷主要集中在柱體中部,此時(shí),結(jié)構(gòu)大多數(shù)位置出現(xiàn)了明顯損傷,且主要集中在結(jié)構(gòu)板、墻交叉處,如圖8(c)所示。當(dāng)?shù)卣鹱饔美^續(xù)增大時(shí),上層柱出現(xiàn)明顯壓屈破壞,由于中柱破壞而喪失豎向承載力,導(dǎo)致頂板出現(xiàn)嚴(yán)重下塌破壞,此時(shí)結(jié)構(gòu)側(cè)墻和樓板構(gòu)件雖出現(xiàn)明顯的損傷甚至破壞,但總體而言,中柱是整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞程度最嚴(yán)重的構(gòu)件,由此推斷中柱是2 層3 跨車站結(jié)構(gòu)抗震薄弱構(gòu)件,如圖8(d)所示。

        圖8 推覆過程中混凝土受壓損傷(2 層3 跨結(jié)構(gòu))Fig. 8 Concrete compression damage during nappe(2 floors 3 spans)

        為進(jìn)一步確定2 層3 跨車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震構(gòu)件與易損位置(薄弱環(huán)節(jié)),結(jié)合結(jié)構(gòu)宏觀破壞過程(圖8),提取側(cè)墻、板、中柱最大損傷位置受壓損傷因子進(jìn)行對(duì)比分析,得到與2 層2 跨結(jié)構(gòu)類似的結(jié)論,即損傷演化速度及累計(jì)損傷程度排序?yàn)橹兄緜?cè)墻>板,因此中柱是地下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震構(gòu)件,側(cè)墻次之。上層柱柱頂和下層柱柱底損傷較明顯,而中板附近上層柱柱底和下層柱柱頂損傷較小;下層墻由于軸壓比較大,導(dǎo)致其頂、底部損傷均大于上層墻,如圖9 所示。

        圖9 受壓損傷對(duì)比(2 層3 跨結(jié)構(gòu))Fig. 9 Comparison of Pressure Damage(2 floors 3 spans)

        與上層柱相比,下層柱承擔(dān)著更大的軸力和剪力,且上層柱、下層柱柱頂及柱底軸力、剪力大小相當(dāng),如圖10(a)、10(b)所示。下層墻承擔(dān)著較大的軸力和剪力,墻底軸力、剪力大于墻頂,這與墻底損傷大于墻頂?shù)默F(xiàn)象相對(duì)應(yīng),如圖10(c)、10(d)所示。對(duì)比墻、柱軸力和剪力可知,墻承擔(dān)大部分剪力,柱產(chǎn)生損傷前承擔(dān)大部分軸力,柱出現(xiàn)損傷后軸力逐漸由側(cè)墻分擔(dān),如圖10(e)、10(f)、10(g)、10(h)所示。下層柱層間位移角始終大于上層柱,這與上層柱晚于下層柱出現(xiàn)損傷及下層柱損傷大于上層柱的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng),如圖10(i)所示。

        圖10 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖(2 層3 跨結(jié)構(gòu))Fig. 10 Structural diagram(2 floors 3 spans)

        3.3 3 層3 跨結(jié)構(gòu)

        3 層3 跨車站結(jié)構(gòu)在地震作用下,上、下層柱頂?shù)锥耸紫瘸霈F(xiàn)輕微的損傷,而中層柱以及其他部位未見明顯的損傷,如圖11(a)所示。隨著地震作用的增大,中層柱柱端出現(xiàn)了較輕的損傷;上、下層柱柱端損傷逐漸向柱中擴(kuò)展,相比之下,下層柱損傷區(qū)域發(fā)展較快,幾乎擴(kuò)展至整個(gè)構(gòu)件,同時(shí)板、墻交叉處出現(xiàn)輕微損傷,如圖11(b)所示。當(dāng)中柱損傷達(dá)一定程度后,上層柱頂端及下層柱底端呈現(xiàn)出S 形破壞形態(tài),且柱體損傷主要集中在中部,此時(shí)中層柱雖出現(xiàn)了明顯損傷,但未出現(xiàn)S 形破壞形態(tài),板、墻交叉處損傷進(jìn)一步加大,如圖11(c)所示。地震動(dòng)繼續(xù)增大后,3 層柱均產(chǎn)生了嚴(yán)重的S 形壓彎破壞,對(duì)比可知,中層柱破壞程度遠(yuǎn)低于上、下層柱,如圖11(d)所示。最后由于中柱發(fā)生壓曲破壞而喪失豎向承載力,導(dǎo)致頂板出現(xiàn)嚴(yán)重的下塌破壞,此時(shí)結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板及側(cè)墻出現(xiàn)不同程度的破壞,其中頂板、底板及下側(cè)墻破壞最嚴(yán)重??傮w而言,中柱損傷最嚴(yán)重,說明中柱是3 層3 跨車站結(jié)構(gòu)抗震薄弱構(gòu)件。

        為進(jìn)一步確定3 層3 跨車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震構(gòu)件與易損位置(薄弱環(huán)節(jié)),同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)宏觀破壞過程(圖11),提取側(cè)墻、板、中柱最大損傷位置受壓損傷因子進(jìn)行對(duì)比分析,可得與2 層2 跨、2 層3 跨結(jié)構(gòu)類似的結(jié)論,即損傷演化速度及累計(jì)損傷程度排序?yàn)橹兄緜?cè)墻>板,因此中柱是地下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵抗震構(gòu)件,側(cè)墻次之;上層柱柱頂與下層柱柱底損傷發(fā)展較快且最大,中層柱損傷相對(duì)較??;由于下層墻有較大的軸壓比,導(dǎo)致下層墻底損傷較中層墻和上層墻大,如圖12 所示。

        圖11 推覆過程中混凝土受壓損傷(3 層3 跨結(jié)構(gòu))Fig. 11 Concrete compression damage during nappe(3 floors 3 spans)

        圖12 受壓損傷對(duì)比Fig. 12 Comparison of Pressure Damage

        3 層中柱軸力由上至下逐漸增大,而中層柱剪力小于上、下層柱,由此推斷上層柱具有較好的延性,如圖13(a)、13(b)所示。下層墻底部相較于墻體其他部位,承擔(dān)了較大的軸力、剪力,如圖13(c)、13(d)所示。對(duì)比下層柱(上、中層柱結(jié)果相同)與側(cè)墻軸力、剪力可知,側(cè)墻承擔(dān)了大部分剪力,柱出現(xiàn)損傷前承擔(dān)大部分軸力,柱出現(xiàn)損傷后軸力逐漸分擔(dān)給側(cè)墻,如圖13(e)、13(f)所示。中層柱層間位移角始終低于上、下層柱,這較好地解釋了中層柱破壞晚于其他層柱的現(xiàn)象,如圖13(g)所示。

        圖13 結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖(3 層3 跨結(jié)構(gòu))Fig. 13 Structural diagram(3 floors 3 spans)

        4 結(jié)論

        本文采用地下結(jié)構(gòu)Pushover 分析方法對(duì)Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地9 座不同結(jié)構(gòu)形式的地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列擬靜力推覆分析,系統(tǒng)研究了多層地鐵車站結(jié)構(gòu)地震破壞反應(yīng)與薄弱環(huán)節(jié),得出以下結(jié)論:

        (1)對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地多層地鐵車站結(jié)構(gòu)而言,中柱是關(guān)鍵抗震構(gòu)件,地震作用下易先于其他構(gòu)件產(chǎn)生損傷甚至破壞;相比之下,側(cè)墻具有較好的抗震性能,在地震作用下不易產(chǎn)生較大損壞。車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性塌毀主要是由于中柱首先產(chǎn)生剪切破壞而喪失豎向承載力導(dǎo)致的。

        (2)中柱是Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地多層地鐵車站結(jié)構(gòu)重要豎向承力構(gòu)件,側(cè)墻是主要水平承力構(gòu)件。

        (3)Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地多層地鐵車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷演變速度及損傷累計(jì)程度排序?yàn)橹兄緜?cè)墻>板;中柱頂、底端和墻、板交界位置在地震作用下易產(chǎn)生損傷破壞,建議在抗震設(shè)計(jì)中對(duì)這些位置適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行加強(qiáng)處理。

        (4)對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地多層地鐵車站結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)底層中柱和側(cè)墻通常承受更高的軸壓作用,使其損傷和破壞先于上層構(gòu)件。

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