不同场地条件下非规则截面地铁地下车站结构地震反应特性研究

我国大型城市轨道交通地下结构建设处于蓬勃发展时期,建设场地条件日趋复杂,车站结构形式也复杂多样,呈现不规则特征。近年的地震灾害现象表明,地下结构在强地震作用下可能会出现严重的震害及次生灾害,城市大型地下结构工程的抗震安全性已成为倍受关注的社会问题之一。因此,研究不良地质条件下不规则地下结构的地震安全性具有重要的学术意义与工程应用价值。本文以苏州星海站的不规则(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构和场地条件为原型,分别采用模拟地震振动台试验和数值模拟方法开展研究,探讨饱和砂土地基和软弱粘土地基中非规则截面地铁地下车站结构的地震反应特性及损伤机理。为满足振动台试验中多种类型物理量的有效测试,采用了分布式柔性孔压传感链测试技术,阵列式位移计(SAA)测试技术,并基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试技术实现地下结构灾变过程的可视化及数据化。论文的主要工作和成果如下:(1)将阵列式位移计(SAA)首次应用于地基土-地铁车站结构大型振动台系列模型试验中,实现土体变形的测量,并与基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试结果相比较,表明采用SAA可较好地测试地震荷载作用下土体的位移响应;研发了分布式柔性孔压传感链测试技术,可以有效解决振动过程中传感器与土体惯性力不同而产生的自身摇摆、移位等问题。形成了地基土-地铁地下结构体系地震损伤与破坏时空演化过程的大型振动台试验可视化及数据化试验技术,可展现非规则截面地下结构的变形模式。(2)将研发的测试技术应用于大型振动台模型试验,开展了可液化地基和软弱粘土地基中非规则截面(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构的地震反应特性研究,给出了模型地基-结构体系加速度、变形、震陷特性,模型地基土与结构接触动土压力反应,模型结构动应变特性以及可液化地基土孔压反应及空间效应等,揭示了不良工程地质条件下地铁车站结构地震灾变特性和破坏机理。(3)对完成的不同场地条件下地铁地下车站结构的振动台系列试验结果进行对比分析,包括地铁车站模型结构周围地基土的加速度反应规律、地表震陷特征,模型地基土与结构接触动土压力反应特性,非规则截面地铁车站模型结构的加速度、侧向位移和动应变的反应规律等,得出了不同场地中非规则截面地铁地下结构地震反应特性的差异性。(4)基于有限元软件ABAQUS计算平台,形成了地基土-地下结构体系成套数值分析流程,开展了软弱场地中非规则截面地铁地下车站结构振动台试验的数值模拟,并与振动台模型试验结果进行了比较,验证了该数值分析方法的可行性和有效性。在此基础上,对复杂环境下足尺非规则截面地铁地下车站结构进行了数值模拟计算,给出了其地震反应特性。

粉质黏土—非规则截面地铁车站结构地震变形特性

以非规则截面地铁车站结构为原型,在粉质黏土场地进行土与地铁车站结构动力相互作用振动台试验。采用阵列式位移计测试地基水平变形,基于非接触性动态位移测试技术实现地铁车站结构损伤演变过程的可视化及数据化,并根据实测数据对粉质黏土—非规则截面地铁车站结构体系的震陷及变形等进行分析。研究表明:强震作用下地铁车站结构的存在改变了土体震陷的分布模式;非规则截面结构不均匀沉降显著,在顶层楼板中心位置处出现土结分离现象;结构底板与顶板动土压力增量差成为结构上升运动的推力;地震动较大时,地基相对位移与土层深度可用3次多项式拟合;模型结构下层最大层间位移角大于上层,大震作用下结构下层最大层间位移角均超过地下车站结构可修水平的层间位移角限值,模型结构下层构件出现损伤,尤其在非规则截面上,地铁车站结构抗震设计中应考虑截面形状的差异性。

可液化地基-非规则截面地铁车站地震变形研究

以上层为五跨和下层为三跨的非规则截面地铁地下车站结构为原型,在可液化场地条件下进行土与地铁地下结构动力相互作用振动台试验。试验提出适用于液化地基-地下结构振动台模型试验的柔性传感链结合水沉法的模型地基制备方法,采用阵列式位移计测试了地基水平变形;分析了孔压发展、消散及空间分布规律,地震动强度与孔压关系,地表震陷与地基变形等。结果表明:饱和砂土振动孔压主要在地震过程中完成累积过程,振动孔压比与地震动Arias强度表现出显著的相关性;强震作用下地下结构存在改变了地基孔压空间分布模式;模型结构地震过程中出现了显著上浮现象,上浮不仅仅发生在孔压累积段,孔压消散段仍存在惯性上浮效应。随着液化区的扩展以及饱和砂土液化程度的增大,变截面地下结构不均匀沉降和倾斜现象显著,地下结构抗浮设计中应考虑截面结构形式差异性。

地铁换乘站不规则结构对其地震响应的影响

地铁换乘站由于功能要求,多为复杂的不规则结构。本文通过对一具有实际工程背景的地铁换乘站进行地震响应弹塑性时程分析,着重从结构的位移响应、侧向变形以及结构柱的内力响应等方面考察了不规则结构对其地震响应的影响。结果表明:周围土体的约束作用有利于减轻地下不规则结构的扭转效应;结构的竖向不规则性对地震响应产生的影响不仅与结构竖向刚度突变有关而且还与周围土体对结构的约束差异有关;地下不规则结构会引起较明显的应力集中现象。相关结论可为类似地下工程的抗震设计提供参考。

考虑地震动空间非一致性的地铁车站结构三维数值模拟

介绍了实现非一致地震动作用采用的等效人工边界单元和等效荷载法,采用自由场模型验证输入的正确性.以某在建地铁车站为背景,建立了三维地铁车站模型,计算了不同频谱地震波在一致与非一致波动入射工况下地铁车站的地震动反应,分析了该地铁车站在非一致地震动作用下的反应特性.总结了非一致地震动作用对车站结构反应的影响,分析了不利位置地震动内力反应,得出长跨度地铁车站有必要考虑地震动非一致因素影响作用的结论并提出抗震建议.

考虑地震动空间非一致性的地铁车站结构振动台试验数值研究

长度超过百米的地下结构受到地震动空间变异性的影响较大,为深入了解粉质粘土地基条件下地铁车站在非一致地震动激励下的动力反应规律,设计并完成了粉质粘土地基条件下非一致地震动激励下地铁车站模型的振动台试验。采用ABAQUS软件建立了三维有限元模型,模拟考虑非一致波动输入的地铁车站振动台试验模型。对比了有限元试验模型与振动台试验的基频和加速度结果,以及有限元试验模型与实际地铁车站有限元模型的内力和加速度结果。通过三者的相互验证,对非一致波动输入地铁车站振动台试验的方法进行了研究。

变截面地铁地下车站三维地震反应特性数值模拟

基于ABAQUS软件的96CPU显式有限元并行计算集群平台,建立地基土—变截面地铁地下车站结构体系三维非线性地震反应分析有限元模型,数值模拟Kobe地震记录、Mex地震记录和100年超越概率3%的南京人工地震波作用下,软弱地基上变截面地铁地下车站结构地震反应特性。结果表明:地下结构上部土层地表处峰值加速度小于不含地下结构土层表面峰值加速度;地震动作用下模型地基呈现出显著的低频聚集(放大)、高频滤波效应;地震动在穿越地下结构时,出现散射等复杂传播行为。变截面地下结构(上宽下窄型)的下层结构地震响应大于上层结构,下层结构中柱的应力峰值大于楼板和侧墙的应力峰值,侧墙的应力峰值大于楼板的应力峰值。上层结构中柱的应力峰值最大,变截面处侧墙应力峰值次之,楼板应力峰值最小。输入地震动的峰值加速度和频谱特性对地下车站结构的地震反应均有很大影响;地下车站结构的地震反应具有明显的空间效应。

地下水位变化对地铁车站结构内力的影响

以苏州地铁某标准车站为例,应用sap84软件分析地下两层站在地下水位变化时结构控制截面的内力变化。并通过分析构件在不同荷载情况下内力变化,以此来讨论结构控制截面随水位下降的变化情况,为以后地铁车站结构设计分析提供参考。