多层交通荷载下非对称一体化地下结构的动力响应

地下结构在交通荷载作用下的动力响应对其运营期的安全稳定有重要影响。为了探究大断面非对称一体化地下结构在多层交通荷载作用下的动力响应特征,依据工程典型断面建立有限元模型,模拟施加路表、市政、轨道三层交通荷载,分析了非对称一体化地下结构的振动响应和应力分布特征,探究了多层交通荷载共同作用产生的结构动力响应叠加规律。结果表明:非对称一体化结构的振动响应在市政交通层的左幅顶板中部最大,达0.5~0.7 m/s^(2),动应力在轨道交通层底角处最大,达0.08~0.10 MPa;地铁列车荷载是结构动应力的主要影响源,但土钉支护与桩基支撑能够有效降低动应力的影响;作用于地面的车辆荷载会对一体化结构的振动响应产生较显著影响,运营期应重点关注位于地面车辆行驶密集路段的结构。研究结果可为地下非对称一体化结构的优化设计、运营期养护提供参考。

区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构开采浅层地热能评价综述

随着浅层地热能的大规模开发利用,针对地埋管地源热泵和能源地下结构的研究正由单个、单体尺度逐渐转向区域尺度。相较于地埋管地源热泵,能源地下结构占地面积小、成本低,在大规模城市建设及地下空间开发中具有良好的优势。从热物性参数和地下城市热岛效应两方面总结浅层地热能理论潜力现有研究成果,简述浅层地热能的开发形式,重点针对区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构的适应性评价进行系统综述,从适宜性分区、热交换潜力、满足建筑物能源需求效果三方面建立相应的区域尺度能源地下结构评价体系,以我国山东临朐县和德国巴登-符腾堡州地埋管地源热泵及我国南京大学仙林校区能量桩的区域性研究为案例进行深入分析,归纳当前研究中存在的问题,并对区域尺度能源地下结构的下一步研究进行展望。

基于地下结构整体损伤表征的复合地震动参数构造及其性能验证

在地下结构抗震设计中,不同的输入地震动引起的地下结构响应有显著差异,因此,合理通过地震动参数选择输入地震动是正确开展地下结构抗震设计的重要前提。针对单一地震动参数难以表征地下结构地震动潜在破坏势问题,文章构造了能更好表征地下结构损伤破坏的复合地震动参数。具体开展了以下工作:提出基于变形与滞回耗能的地下结构整体损伤指标作为结构需求参数,以定量化评估地下结构的整体破坏状态。选取64条真实地震动记录作为输入地震动,开展四层三跨地铁车站地震弹塑性动力时程分析。基于分析结果提供的数据样本,采用偏最小二乘法从统计角度构造复合地震动参数。最后,选用100条真实地震动记录开展两层三跨地铁车站弹塑性动力时程分析,对文章所构造的复合地震动参数进行验证。对比分析复合地震动参数、12个常用地震动参数与地下结构整体损伤指数的回归统计特征。结果表明:复合地震动参数与结构需求数之间具有更好拟合优度值,其Pearson相关性、有效性也优于单一地震动参数。

地下结构地震响应分析的高效混合模拟方法

数值模拟是地下结构抗震分析的重要手段之一,然而地震动输入及边界效应、模型尺度规模等因素均会影响数值模拟的计算精度和效率,并且存在计算尺度、计算时间、计算精度之间的矛盾,因此如何高效、精确地模拟地下结构与地层相互作用体系的地震响应仍是亟待解决的关键问题。基于区域缩减法(DRM)将边界元和有限元相融合的核心思想,旨在建立能够合理模拟地下结构-地层系统地震响应特征的高效混合分析方法。首先将地下结构-地层整体模型划分为近场地层-结构内域子模型和远场地层外域子模型,通过构造重合节点保证内域-外域耦合边界处的位移连续性;其次,基于边界元求解外域自由场或地形影响下的非自由场地震动特征,并采用DRM构造矩阵方程将外域动力响应转化为等效地震荷载,可以在保证地震动合理输入的前提下极大地缩减外域模型尺寸,进而实现对内域中地下结构地震响应的快速参数化分析;最后,设计了两组典型算例以检验该方法的可靠性和高效性。结果表明:对于无地形影响下的双线隧道地震响应模拟,通过与远置边界参考解对比验证了方法的有效性;对于受地形条件影响下的双线隧道地震响应模拟,本方法在保证精度要求的基础上极大缩减了包括地形在内的外域模型范围,相比远置边界法和传统黏弹性法,可使计算模型尺度分别缩减97%和83%,计算时间减少72%和58%。此外,该方法还可推广到斜入射地震动作用下地下结构的动力响应分析。

基于WSN和TJ_UWIS的地下结构变形动态监测平台与教学应用

为实现复杂条件下地下结构变形的动态监测,提高学生对无线监测系统的认知,设计了基于WSN(wireless sensor network)和TJ_UWIS倾角传感支点的无线监测实验平台,并应用于实际教学中。该实验平台测量精度高,可以通过TJ_UWIS倾角传感支点测得地下结构的X/Y/Z三向的倾角变形值,从而反映结构的实际变形状况;最大监测频率可设置为1 min/次,可实现结构变形的精准动态监测。该实验平台的应用,有助于提高学生对无线传感监测系统原理与系统组成的认识,掌握具体应用方法,锻炼学生的专业素养和创新思维。

地下结构抗震设计反应位移法的研究综述

近年来,反应位移法在地下结构抗震分析中的应用渐趋广泛。简要介绍了反应位移法的基本原理和应用现状,从地层变形、地基弹簧和结构模型等关键因素的角度详细总结了反应位移法的发展过程和最新研究进展,厘清了方法的完善思路,指出地层-结构相互作用是影响计算精度的重要误差来源。此外,在上述基础上论述了当前反应位移法应用过程中存在的突出问题,提出了反应位移法在进一步拓展应用场景、提升结果代表性过程中需要深入研究的关键问题。

典型浅埋矩形框架地铁车站地下结构地震易损性分析

该文旨在研究典型浅埋矩形框架形式地铁车站结构的震后失效概率模型。以9座已建典型矩形框架地铁车站工程实例为研究对象,通过Abaqus/standard有限元软件平台建立了土-结构相互作用三维数值模型。基于地下结构Pushover分析获得的抗震性能曲线,定义了各个车站结构的层间位移角限值。采用IDA方法计算得到了地铁车站结构的概率地震需求模型,并绘制了不同地铁车站结构的地震易损性曲线。通过对比研究发现,地铁车站结构之间的震后失效概率相差巨大,场地平均剪切波速对地下结构地震易损性分析结果起主导作用,尤其是与结构等高分布土层的自由场响应结果,但地下框架结构本身的变形能力也是影响结构震后失效概率的重要因素之一。上述研究成果能够有效加强对现行浅埋地下框架结构抗震性能的认识,可为基于性能的浅埋地铁车站地下框架结构抗震设计提供科学参考。

超大型地下结构系统地震响应高性能弹塑性流固耦合分析

随着城市地下空间开发进行加快,地下结构的抗震安全问题日益受到重视。为了研究饱和土层,尤其是可液化场地中超大型地下结构的地震响应,必须解决高性能计算、弹塑性本构模型、流固耦合等关键问题。该文基于高性能数值仿真平台GEOSX,开发一套高性能弹塑性流固耦合分析方法。以北京城市副中心站综合交通枢纽为例,采用砂土液化大变形模型进行动力弹塑性流固耦合分析,计算规模超千万自由度。计算结果表明,所开发的分析方法具有较高的并行计算效率,可以实现可液化场地地下结构系统的大规模高效弹塑性流固耦合模拟。对于这一主要处于饱和砂土地层中的超大型地下结构系统,在基本地震作用下,饱和砂土层的最大超静孔压比达到约0.5,产生较为明显的弱化;结构地震层间位移角和内力均满足规范要求,由于存在开洞等断面变化,结构响应三维效应明显;由于与地下结构相连的地上结构相对较小,地上结构对地下结构地震响应影响有限。

弱渗透性土中地下结构承受水压规律试验研究

为合理评估地下结构在使用寿命周期内的抗浮性能,设计一种多功能模型试验系统,模拟不同水力梯度作用下重塑黄土和粉质黏土中孔隙水压力的传递过程,开展竖向渗流条件和侧向渗流条件下两种土体介质中地下结构承受水压变化规律试验;基于修正K-C(Kozeny-Carman)渗流理论提出用于描述弱渗透性土体介质中孔压竖向传递的数学模型。研究结果表明:在相同水力梯度作用下粉质黏土中同一测点的孔压值较重塑黄土中小,且趋于稳定所需时间较长;当两种土体介质中发生竖向渗流或侧向渗流时,地下结构承受的水压均比理论静水压力小;所提出的数学模型能够较好地描述重塑黄土和粉质黏土介质中孔压的传递过程;在实际工程中,应考虑结构自身对地下渗流场的影响和特殊土体介质对孔隙水渗流的影响,从而实现更合理的抗浮设计。

场地均质性对浅埋地铁车站地下结构地震易损性的影响

场地条件是影响地下结构地震响应的关键因素之一,该文旨在研究场地均质性对于地铁车站地下结构地震易损性的影响。以两层两跨地铁车站为研究对象,基于ABAQUS/Standard软件平台建立了考虑土-结构相互作用的二维有限元分析模型。模型考虑了循环动力荷载作用下土体的非线性与钢筋混凝土的弹塑性力学行为。采用增量动力分析方法分别计算了结构在层层场地条件下与均质场地条件下结构的地震响应,并以层间位移角为损伤指标与地面峰值加速度为地震动强度指标绘制了地铁车站结构的地震易损性曲线。结果表明,层层场地条件下结构的响应均值要显著高于均质场地,但两者标准差一致。在地震动作用下,结构处于层层场地下的破坏概率要明显高于均质场地,这主要归因于层层场地中毗邻结构的土体产生了较大的剪切变形。上述结论可为地下结构基于性能的抗震设计提供科学参考。

基于OpenSees的饱和土场地中地下结构地震反应研究

应用OpenSees有限元计算程序,选取某地铁车站结构为主要分析对象,构建了饱和土-地下结构体系地震反应运算模型,并利用该模型进行系统的地震反应计算。将现场饱和土动力反应视为饱和两相介质近场波动问题,选取时域显式数值算法进行计算,同时考虑了土体的弹塑性。研究结果显示:(1)因选取弹塑性土体本构,土体-地下结构的位移反应时程和输入地震动的位移时程体现出了显著性差异。(2)对于两层三跨地下结构,在以剪切波形式输入的地震动作用下,顶板的峰值加速度和侧向位移最大,中板次之,底板最小,场地土体对地震波具有放大效应,顶层的层间位移大于底层。(3)在地震动作用下,地下结构不同区域应力时程的改变规律存在非常显著的差异。中柱底部与底板节点处的应力峰值最大。地震动输入结束时,结构存在残余应力。

地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应影响研究

在地下结构抗震分析中,软弱夹层场地较一般成层场地而言问题要更为突出。本文以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-地下连续墙-地铁车站结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应的影响,对比分析了在不同场地工况下地连墙以及地连墙的连接方式对地铁车站结构的地震响应规律。研究结果表明:地下连续墙与车站结构协同作用使得车站结构整体水平变形减小,且减小效果随着软弱夹层厚度的增加更加明显;地下连续墙同时会引起附加的侧向土压力作用到车站结构上,对上层中柱和侧墙顶部等部位存在不利影响,建议工程实践中采取一定的加强措施。

房建工程地下结构无缝防水施工技术

为了提高房屋建筑工程的质量与施工水平,减小房建工程地下结构施工中的缝隙,提高防水效果,以山西晋中寇村整村改造项目为例,开展了房建工程地下结构无缝施工技术的研究。选择EUA-Ⅱ品牌的混凝土补偿材料开展地下收缩结构混凝土补偿施工,同时在地下施工区域的裂缝结构内,增设膨胀加强带。以竖向垂直的方式对钢筋结构进行固定,避免浇筑混凝土时出现流向偏差的问题。采用整体浇筑方式,并依据闭水试验,对细部裂缝进行填补。实践证明,该技术可降低由于温度变化导致混凝土收缩的发生概率,可达到预期防水效果。

渗流对粉质黏土地基地下结构浮力影响的数值模拟研究

为研究城市地下空间大量开发所导致的地下结构抗浮问题,以长春地区广泛分布的粉质黏土为研究对象,针对潜水渗流这种较为常见的地下水渗流形式,采取理论分析和FLAC 3D数值模拟相结合的方法,研究了潜水下渗情况下,地下水的渗流特征以及其对建筑物现场孔隙水压力的影响,并进行弱透水粉质黏土的层厚、水力梯度等其他影响因素的分析。结果表明:弱透水粉质黏土基底上孔压的大小和基底处于弱透水层中的位置有关,愈接近弱透水层底部,孔隙水压力愈小,地下结构所受浮力亦愈低。承压水含水层上渗情况,基底处孔压主要由下承压水水头决定,基底上孔压与承压水水头呈线性增长。研究成果可为长春地区粉质黏土地基地下结构的抗浮设计提供一定的借鉴。

开挖面失稳导致地下结构变形破坏的离心模拟

城市密集地下工程结构群下进行地下空间开发遭遇复杂地质环境时,可能会导致隧道开挖面失稳从而对既有结构的安全造成巨大威胁。开展了三个离心模型试验,模拟均质粉土地基和有黏土夹层的粉土地基中多层既有地下结构,研发了模拟隧道开挖面失稳的试验技术,再现了施工扰动引发的土体破坏模式和既有结构变形破坏机理。试验表明,控制开挖面位移(0.48H,H为开挖面高度)或者开挖面附近存在黏土夹层时,其附近形成的土拱有效地控制破坏区域,显著降低既有隧道的变形和应变,最终竖向变形为0.3~0.35 m,最大拉应变为850微应变;如果开挖面位移增大至0.86H,均质粉土地基出现整体失稳,既有隧道的最终竖向变形0.48 m,最大拉应变达到1900微应变。

地下水恢复期逆作地下结构底板变形特征分析

在地下结构施工-运营期间地下水自然恢复过程中,地下水渗流将会导致基底孔压发生复杂变化,且随着时间的推移基底孔压不断增大,将会引起地下结构底板的变形。因此,依托典型超深地下结构,结合底板附近分布非均质土层的特点,考虑采用地下结构-地连墙-抗拔桩的联合抗浮方式,利用有限元分析软件PLAXIS建立地下水恢复期间的二维流固耦合模型;对比是否设置抗拔桩情况下的基底应力、底板变形特征,揭示了地下水恢复期间抗拔桩对地下结构的控制作用。研究结果表明,抗拔桩的设置对基底应力、变形,以及底板变形特征都有影响。在地下水恢复期间,设置抗拔桩可以有效控制地下水的恢复对岩性分界处土体带来的不利影响,对于控制基底变形比较有利,岩性分界处基底差异位移值变得更小;可以使底板变形、不均匀差异变形得到改善,不均匀位移值减小了5.79 mm。

既有地下结构上方盾构吊装加固方案对比分析

本研究以某市地铁一号线三期工程盾构机掘进至火车站站前广场后为工程背景,为进行后续施工,需在既有无粘结预应力结构上方进行吊装出井,提出了两种对此类地下混凝土结构进行临时加固的方案。基于Midas FEANX数值模拟软件,研究加固前与以及采用两种方式加固后结构吊装施工区域的竖向应变、应力以及裂缝宽度等,评估地下结构的安全性,分析其是否需要进行加固处理。综合对比两种加固方式在施工过程中的优缺点和加固效果,最后选用盘扣式支架进行加固,在保证加固效果的前提下,能提高临时加固结构施工的效率。本研究成果对盾构机在既有结构上方选用加固方法保证结构安全具有参考意义。

基于耐震时程法的地下结构序列地震作用抗震性能研究

针对当前地铁地下结构抗震性能研究大多仅考虑主震影响而忽略地震后可能伴随发生的多次余震作用问题,开展了地下结构在主余震序列作用下的动力响应规律研究,选取典型两层三跨地铁车站为原型,建立了土-地下结构相互作用的有限元数值模型,基于耐震时程法基本概念并结合我国相关抗震标准设计反应谱生成2条耐震时程曲线,构造了12条主余震序列输入,研究了地铁地下车站在主余震序列作用下的侧向变形特征以及损伤破坏规律。结果表明:耐震时程法可以作为主余震序列作用下地下结构抗震性能研究的一种新的高效方法;主震后带损伤结构的侧向变形应充分考虑主余震序列峰值强度比α影响,主震水平与破坏状态越高,则产生余震增量损伤的临界值强度比α越小,结构面临更严重破坏的风险也越高。研究成果为结构在序列型地震作用下的抗震分析与评估提供了新的思路。

地下结构反应位移法中地基弹簧参数影响分析

为探究地基弹簧参数变化对结构动力响应的影响,文中首先以动力时程法计算结果作为参考解,对比分析不同地基弹簧参数的求解形式,确定最优求解方法。在此基础上,分别对整体地基弹簧和结构不同位置弹簧参数进行调整,分析确定各参数对结构内力和位移响应的影响规律。结果表明,与顶面弹簧参数变化相比,侧面弹簧和底面弹簧参数变化对结构内力和变形影响较大,整体来看,结构各位置弹簧参数的数值增大100%~400%,产生的结构变形和关键位置内力变化约为16%~43%。

地下结构地层抗力计算方法及发展方向研究

地层抗力是描述地下结构与土体相互作用的关键荷载,其计算方法对地下结构设计来说至关重要,本文通过文献调研,对地下结构设计中的地层抗力计算方法进行了梳理与研究,分析了现有计算模型存在的主要问题,并从地下空间未来建设趋势的角度提出了地层抗力模型未来的发展方向。