地铁地下结构抗震设计方法差异性规律研究

详细介绍动力时程分析方法、反应位移法、整体式反应位移法、强制反应位移法、张建民地震土压力方法、简化地震土压力方法、反应加速度法、地下结构Pushover分析方法等地铁地下结构抗震设计方法。结合以上各种抗震设计方法,计算不同地质条件以及不同埋深条件下北京地下直径线单层框架结构侧墙变形(顶底板位移差值)及结构内力,并对其结果进行比较分析,为探讨各种设计方法计算结果的差异性规律提供一定的依据。结果表明,不同土层条件时,反应加速度法、地下结构Pushover分析方法与动力时程分析方法计算值基本一致;不同埋深条件时,基于日本铁路抗震设计规范动弹簧系数的反应位移法、张建民地震土压力方法与动力时程分析方法计算值更为接近。

地铁地下结构抗震分析并行计算显式与隐式算法比较

基于EM64T硬件构架、双路Intel Xeon处理器、Linux操作系统、64位ABAQUS软件、千兆以太网络为集群子网络构建的32CPU并行计算集群平台,对有限元并行计算中心差分显式算法与Hilber-Hughes-Taylor隐式算法的计算精度和效率以及ABAQUS软件中设置黏弹性人工边界计算精度进行比较验证。结果表明:显式与隐式算法计算精度基本相当,但显式算法计算效率远高于隐式算法。对地铁地下结构三维和二维非线性地震反应分析有限元并行计算显式和隐式算法进行对比研究,结果表明:对于自由度数为387 426的地铁车站结构三维非线性地震反应分析,8、16、32CPU并行计算显式和隐式算法耗时比依次为21.89%、23.10%、4.32%;对于自由度数为10 516的地铁车站结构二维非线性地震反应分析,1、2、4CPU并行计算隐式和显式算法计算耗时比依次为41.4%、45.3%、51.8%;多CPU并行计算显式算法适合求解大规模数值计算问题,多CPU并行计算隐式算法适合求解小规模数值计算问题。

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,开展了微倾斜(倾角为6°)可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究。结果表明:微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现,隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。

黄土地区地铁地下结构抗震研究综述

介绍了地铁地下结构抗震研究的发展历史、研究现状及黄土地区地铁地下结构抗震的相关研究,总结归纳出地震作用下地铁地下结构的地震破坏形式与地震反应特征;对地铁地下结构的不同抗震研究方法进行对比研究,指出各种研究方法的优缺点与适用情况。针对我国黄土地区地铁地下结构抗震分析理论研究不足,基础资料积累欠缺,抗震设计尚无可靠依据的实际情况,探讨了黄土动力本构模型、黄土与结构动力相互作用、离心机振动台试验研究及抗震分析方法等因素对黄土地区地铁地下结构抗震研究可靠性的影响,提出黄土地区地铁地下结构地震动力反应分析、地震破坏机理分析、抗震性能分析及抗震设计中需要深入研究的关键问题。

相对位置的地上结构对地铁地下结构地震反应的影响

应用有限元方法和粘弹性人工边界,建立了土-结构动力相互作用体系。对比分析了相对位置上不同的地上结构对地铁地下结构地震反应的影响。分析过程采用平面应变条件下的二维动力时程分析,选择的输入地震时程为Kobe时程。结果表明,地上结构的存在对地铁地下结构的层间相对位移、节点内力等地震反应指标产生了不可忽视的影响;且随着两者相对位置的改变,呈规律性变化。

微倾斜可液化场地中地铁地下结构地震反应的振动台模型试验研究

微倾斜场地砂土液化产生的土层侧移对地面结构和埋于其中的地下结构都造成了严重的地震破坏,也将会对地铁大型地下结构的地震安全造成严重的威胁。同时,地铁地下车站与区间隧道的连接部位因结构刚度的突变,必然会造成该部位结构的地震反应区别于标准段结构的地震反应。鉴于此,本文介绍了微倾斜(倾角为6°)可液化场地中两层三跨框架式地铁地下车站和区间隧道连接部位结构地震反应的大型振动台模型试验研究。通过对试验测试结果和试验现象的分析,揭示了微倾斜液化场地中地铁地下车站结构的动力反应规律及其地铁地下车站结构非均匀上浮机理,以及地铁地下车站结构与区间隧道结构的连接对各自动力反应的影响规律。

地铁地下结构抗震分析与设计研究

随着城市化发展速度的加快,地铁的建设范围不断拓展,地铁建设不仅为人们的出行提供了便利的条件,而且缓解了城市交通的压力,促进了城市高速发展。在开展地铁的建设工作时,必须要做好结构抗震分析,并合理设计,保证地铁的质量以及安全性,为城市的发展以及人们的生命财产安全提供保障。文章就地铁地下结构抗震分析与设计进行了详细的讨论。

基于不同地基隔震体系的两层三跨地铁地下车站结构抗震性能分析

针对两层三跨地铁地下车站结构的地震破坏特征,采用水泥橡胶砂混合土作为地铁地下车站结构周围回填地基隔震层,建立三种不同地基隔震体系的土-隔震层-地下结构静、动力耦合非线性动力相互作用的二维有限元计算模型,分析了不同地基隔震层设置方案对地铁地下车站结构的相对层间位移角、加速度反应、震后残余变形和混凝土地震损伤破坏等地震反应的影响规律。结果表明:在地下车站结构周围地基设置水泥橡胶砂隔震层可以有效地减轻地下车站结构的地震侧向变形,尤其是在四周都采用隔震材料回填时效果最好;总体来看,在车站结构周围采用不同地基隔震的方法均可以有效地减轻地下车站结构的惯性力和混凝土地震损伤程度,提高了结构的整体抗震性能,从经济角度和施工方便出发,建议优先选用在地下车站结构两侧设置地基隔震层。

采用不同隔震形式的双层地铁地下车站结构地震反应分析

针对地铁地下车站结构中柱、中板等抗震薄弱构件,分别研究了车站结构在传统完全约束结构形式下,在上下层中柱顶部设置弹性滑移支座时,以及本文提出的在中板边缘及底层中柱设置隔震支座时的地震反应特性,建立了土-地下结构非线性静动力耦合相互作用的二维有限元分析模型,对比分析了采用不同隔震形式对车站主体结构静动力反应特性的影响规律。结果表明:与传统车站结构相比,在中柱顶部设置弹性滑移支座能有效降低车站中柱处的地震损伤,具有更好的抗震性能。采用本文提出的中板边缘及底层中柱设置隔震支座,可以在减小中柱所受地震损伤的同时,有效地保证结构中板在强地震中不受严重损伤,从而提高车站的整体抗震性能。

地铁地下结构抗震研究现状

回顾历史上地铁地下结构的震害现象,尤其是日本阪神地震大开地铁站的震害.简要归纳目前地下结构抗震研究主要方法,包括静力法、BART法、反应位移法及动力有限元法等.总结地铁地下结构在一致地震动作用下的地震反应研究现状.对地铁地下结构在非一致地震动作用下的地震反应研究、非一致地震动自由波场输入方法及其人工边界研究进行简要描述.概述了地铁地下结构的振动台试验研究现状,包括普通振动台试验、离心机振动台试验和针对非一致激励的振动台试验.对地铁地下结构抗震领域提出进一步研究展望.

竖向强震作用下密贴地铁地下交叉结构动力响应分析

研究密贴地铁地下交叉结构的地震反应特性,对地铁地下结构穿越工程的建设和安全运营有着重要的现实意义。利用FLAC3D有限差分程序对北京地区典型密贴地铁地下交叉结构进行了地震响应的数值模拟分析,研究了竖向强震作用下地铁区间隧道密贴下穿地铁车站结构体系的地震反应特性,并与单一地铁车站的地震反应特性进行了比较,研究表明:密贴地铁车站交叉主体结构由于车站—隧道结构间的相互作用,较单一地铁车站主体结构竖向位移及受力具有明显的增减,并与输入地震动的特性有关,且各监测部位增减幅值基本一致;由于土体对地震动高频成份的显著滤波作用,因此高频丰富的汶川卧龙波作用下地铁车站主体结构竖向相对位移差-时程及应力差-时程明显小于低频丰富的阪神波作用下地铁车站主体结构竖向相对位移差-时程及应力差-时程;地铁车站主体结构竖向相对位移差-时程及应力差-时程对于输入地震动的峰值加速度不太敏感。

两层三跨框架式地铁地下车站结构弹塑性工作状态与抗震性能水平研究

针对目前缺乏对现有地铁地下车站结构抗震性能水平的认识,根据相关规范的规定,设计了7种研究不同场地类别,并考虑输入地震动强度,分析了两层三跨框架式地铁地下车站结构的动力损伤特性及其抗震水平。结果表明,地铁地下车站结构的弹性和弹塑性工作性态层间位移角限值分别小于地面钢筋混凝土框架结构的对应值;同时,地铁地下车站结构从弹性极限工作状态到弹塑性极限工作状态所对应的层间位移角的差值也较小,说明其抗震延性明显比地面钢筋混凝土框架结构的要差。基于计算结果,分析了不同输入地震动强度下地下结构层间位移角、结构与土体的刚度比和输入峰值加速度之间的关系,建立了该类地铁地下车站结构层间位移角随地下结构与地基的刚度比和输入地震波峰值加速度变化的预测公式,以及该类地下车站结构层间位移角限值与抗震性能水平的一一对应关系,初步给出了该类地下车站结构基于层间位移角的抗震性能水平划分和物理描述。

可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究

开展了近、远场地震动作用下可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构大型振动台模型试验。分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷及模型结构的加速度、应变。结果表明：模型地基的孔压累积经历了缓发展、急增长两个阶段;模型地基的加速度Arias强度释放时刻与孔压急增长阶段的起点时刻相对应,加速度Arias强度峰值较大的工况,模型地基孔压比峰值也较大;模型地基孔压场分布呈现出小震时模型结构底部液化程度较低、大震时场地底部液化程度较低的现象。强地震动作用下,模型结构发生了显著的上浮;模型地基、模型结构均表现出对低频相对发育的地震动反应更为强烈的现象。强震作用下,浅层可液化土在循环流动过程中发生了由于剪切刚度瞬态突增而导致峰值加速度瞬时急增的现象。模型结构中柱为此类型车站的最不利构件,附拱在与竖向成±（30°-60°）区域内应变反应较大,中庭上拱在45°位置处应变反应较大;随着模型结构拉应变幅值的增加,模型结构自振频率不断衰减。主观测面测点和次观测面测点的拉应变幅值均存在不同程度的差异,模型结构的应变反应存在空间效应。

复杂大型地铁地下车站结构非线性地震反应分析

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,对上层为五跨和下层为三跨的地铁车站结构的抗震性能进行数值计算,考虑了土体与混凝土的强非线性特性和土与结构接触非线性特性,分析了结构的层间位移反应特征和结构构件连接部位的应力反应规律,以及结构构件的动态损伤演化规律。研究结果表明:车站结构柱子底端的应力反应大于顶端的应力反应,边柱底端的反应大于中柱底端的反应,下层柱底的应力反应大于上层柱底的应力反应;车站结构的上层侧墙的顶底部结点的应力反应明显比下层侧墙的对应位置结点处的要大;车站结构顶板的中跨端部结点的应力反应明显比侧边跨和侧中跨的要大;车站结构中板的侧中跨端部的应力反应明显比中跨端点处的要大,同时中跨端点处的应力反应又要比侧跨端部的要大;下层右中柱及下层侧墙底部外侧均为破坏最为严重的区域。研究成果对提高该类地铁车站结构抗震性能的认识及其抗震设计水平提供合理的参考与指导。

三拱立柱式地铁地下车站结构三维精细化非线性地震反应分析

基于ABAQUS软件研发的显式有限元并行计算集群平台,建立三拱立柱式地铁地下车站结构三维精细化有限元分析模型;研究大地震近场和远场地震动作用下地铁地下车站结构三维非线性地震反应特性。结果表明:地震作用下,三拱立柱式车站立柱底部为最危险部位,两侧副拱较中间主拱安全;两侧副拱拱璧损伤没有框架式车站结构外墙损伤严重;两侧副拱与竖向轴夹角约为30°处上、下拱壁上损伤指数最大;地铁地下车站结构峰值加速度沿车站纵轴线方向呈波浪状,纵轴线中点附近峰值加速度最大;三拱立柱式地铁车站的破坏主要和结构相对位移角有关,其破坏模式主要为剪切破坏。

深软场地地铁地下车站结构近、远场地震反应数值分析

场地条件和地震动特性对地铁地下车站结构地震反应有重要影响,为了研究深软场地地铁地下车站结构近、远场地震反应特性,以苏州地铁一号线星海站为工程背景,基于苏州地震构造环境,建立深软地基-地铁车站结构二维非线性静动力耦合有限元分析模型,对深软场地地铁地下车站结构在近场中强震和远场强地震作用下的地震反应特性进行了数值模拟分析,得到了2种地震动作用下车站结构加速度、变形、应力反应规律和损伤特性的差异。

基于数值统计的浅埋地下结构地震动强度指标与抗震性能水平划分研究

现阶段地下结构易损性分析还处于初步研究阶段,以单层双跨的日本大开车站为原型,建立了土与单层地下结构动力相互作用的有限元模型。首先根据地震动的频率,选取地震动;再采用增量动力时程分析方法(IDA),给出了地下结构地震损伤状态的判定与定量划分方法,最后挑选出合适的地震强度指标(IM)。分析结果表明,基于PGA(地表峰值加速度)/PGV(地表峰值速度)分类的地震动记录在IDA曲线上表现出显著的差异,地震动选取的合理性以及随机性是地下结构地震易损性曲线客观性的重要保证;峰值地面加速度(PGA)与场地土层顶底峰值相对位移(PSSRD)均可作为该类浅埋矩形地下结构地震易损性分析的有效且合适的地震动强度指标。基于场地的非线性地震反应特征,对于深埋地下结构的地震动强度指标还有待进一步研究。

地面微倾斜可液化场地中地铁地下车站结构的地震反应研究

砂土液化造成了大量建筑物的破坏,但目前对砂土液化地基中地铁地下结构的地震反应研究相对较少,尤其对微倾斜液化地基中地铁地下结构地震反应的研究更为缺乏。基于有限单元法,采用已开发的砂土液化大变形动力本构模型模拟液化土层的剪切大变形,采用基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法的有限单元网格动态自适应调整技术解决土体液化大变形发生后有限单元的畸变问题,建立了地面微倾斜液化地基中土体-地下结构非线性动力相互作用的数值分析模型,分析了地面倾角变化对地铁车站周围地基液化分布特征、车站结构周围土层侧移变形特征、地下结构上浮和应力反应的影响规律,揭示了微倾斜液化地基中地铁地下车站结构的地震反应特征。

基于柱顶隔震的3层3跨地铁地下车站结构抗震性能研究

针对3层3跨框架式地铁地下车站结构抗震薄弱构件,采用在柱顶不同位置设置铅芯橡胶隔震支座的方法,建立土-地下连续墙-主体结构非线性静动力耦合相互作用的二维整体时域有限元分析模型,分析柱顶隔震支座对车站主体结构的侧向变形、地震损伤和动应力反应等结构地震反应特性的影响。结果表明,仅在抗震薄弱的顶层和底层中柱柱顶设置2层隔震支座与各层中柱柱顶设置3层隔震支座均可有效减轻中柱地震损伤程度,提高车站结构整体抗震性能。然而,仅在顶、底层中柱柱顶设置2层隔震支座时,会明显加重未设置隔震支座的中间层中柱地震损伤程度。此外,柱顶隔震支座的设置会削弱隔震体系的整体抗侧移能力,从而增大地铁地下车站结构地震侧移。总体上,建议采用各层中柱柱顶均设置隔震支座的措施提升地铁地下车站结构的整体抗震性能。

三层三跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平研究

根据相关规范规定,设计出6种不同的场地类别,并考虑地下连续墙和输入地震动强度的影响,分析了三层三跨框架式地铁地下车站结构的地震损伤特性、破坏过程及抗震性能水平。结果表明:在结构层间位移角幅值接近时,二类场地条件下结构的地震损伤程度最轻,四类场地条件下地震损伤最为严重;在大震且场地条件较差时,主体结构在输入地震动峰值过后的一段时间内将处于严重破坏状态,随后才进入可能的完全破坏状态;基于计算结果,建立了该类型地铁地下车站结构层间位移角与结构–土体刚度比R的预测公式;通过对比地下结构不同损伤破坏程度与对应的结构层间位移角的关系,给出了地铁地下结构地震完全破坏的判别标准,并初步给出了不同场地类别下该类地下结构基于层间位移角的抗震性能水平划分及其地震破坏物理描述。