地铁地下结构抗震性能及分析方法研究

孙 超

(中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080)

地铁地下结构抗震性能及分析方法研究

孙 超

(中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080)

随着全球经济建设的快速发展,地下空间的利用已经成为学术界重要的研究课题。越来越多的震害表明,地下结构在强震作用下并不一定安全,甚至发生严重破坏。1985年墨西哥8.1级地震,1995年日本7.2级阪神地震以及2008年我国四川汶川8.0级地震都造成了大量的地下结构的损坏。研究地震作用下地下结构的稳定问题是当前岩土工程研究的热点课题之一,具有重要的理论和实际意义。地铁是现代城市的重要交通工具,是公众较为集中的地下空间,其安全稳定性受到了政府和社会的极大关注。本文以地铁地下结构为研究对象,对地下结构抗震研究的主要方法进行了系统的总结,对其中存在的问题及发展方向进行了讨论和评述;对三维有限差分程序FLAC3D的基本原理、功能及其在岩土工程抗震中的应用进行了详细的介绍;对地铁地下结构的抗震性能、震害机理以及实用抗震分析方法进行了深入的研究,主要成果如下:

(1)将混凝土损伤本构模型应用到地下结构抗震分析中。基于混凝土损伤力学理论,采用Mazars提出的混凝土损伤演化方程确定的损伤变量,在德鲁克-普拉格本构模型的基础上,提出了一种能够考虑混凝土损伤后材料强度、刚度等参数发生相应折减的损伤本构模型(Damage-Model)。并在FLAC3D提供的用户二次开发环境的基础上,采用VC++开发出该本构模型,最后通过数值模拟试验比较了该损伤本构模型与德鲁克-普拉格模型的差异,说明了该损伤本构模型的优点。并通过采用该本构模型分析大开地铁车站的破坏机理,结果与实际震害吻合较好,从而在一定程度上验证了该损伤本构模型的适用性。

(2)利用本文开发的本构模型成功地模拟了日本神户大开地铁车站地震破坏过程并对破坏机理进行了解释。本文介绍了阪神地震中大开地铁车站的震害情况,以FLAC3D软件为基础,采用本文开发的混凝土损伤本构模型描述车站结构的本构特性,分析了日本神户大开地铁车站的动力反应特性及破坏过程。在车站结构与周围土层间设置了接触面单元,较好地模拟了震动过程中结构与土层的接触、脱开、滑移。认识到竖向地震动加大了地下结构所受竖向应力峰值,加速了车站中柱的损伤破坏,是导致大开地铁车站破坏的重要因素;中柱是大开地铁车站结构中的抗震薄弱环节,日本神户大开地铁车站的破坏机理可以解释为,在水平和竖向地震动共同作用下,车站结构的损伤破坏从中柱最先开始,受损的中柱逐渐失去了支撑上部荷载的能力,从而使得车站结构顶板承担巨大的上覆土层压力,逐渐在顶板与侧墙位置处发生塑性破坏,最后顶板以至于车站结构整体垮塌。

(3)对地下结构振动特性及其影响因素进行了较为系统的研究,总结了地下结构振动特性的基本特征。对地下结构与地面结构的动力反应特性进行了比较,认识到周围土层的约束作用使得地下结构振动特性与地面结构完全不同;对地震中地下结构所受动土压力及结构与土层的相对位移情况作了专项研究,揭示了动土压力及地下结构相对位移的变化规律;研究了竖向地震动作用下地下结构的振动特性,发现地下结构顶、底板处竖向应力远大于土中相应深度位置处的竖向应力;研究了覆盖土层厚度对于地下结构顶底板水平位移差的影响,结果表明,当覆盖土层厚度超过地下结构高度后,结构水平位移差随覆盖土层厚度程线性增长规律;最后分析了地下结构的存在对于周围场地水平及竖向加速度反应的影响。

(4)提出了一种适用于求解剪切波作用下地下结构顶底板水平位移差峰值的实用抗震分析方法─等效侧移刚度比法。依据不同的地下结构侧移刚度简化方案提出了三种不同的侧移刚度修正方法,分别为固接修正法、铰接修正法和平移修正法。应用等效侧移刚度比法需要首先求解地下结构相应深度位置处自由场地的水平位移差峰值,然后再乘上等效侧移刚度比法的相互作用系数,即可求得该地下结构顶底板水平位移差峰值。最后通过不同工况下(不同截面尺寸、不同地震波输入、不同结构形式)采用该方法与数值模拟分析方法进行比较,验证了该方法的适用性。

地下结构;抗震分析;本构模型;混凝土损伤;振动特性;等效侧移刚度比

TU352.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.016