大开地铁车站地震破坏模拟与机理分析

1995年日本阪神地震中塌毁的大开地铁车站震害事例引起了人们对地下结构抗震问题前所未有的关注和重视。针对这一震害事例,国内外已开展了大量的理论、数值和试验研究工作,对震害机理和破坏模式等进行了深入、系统的解析,但迄今并未形成一种系统性的共识。基于大开地铁车站三维非线性数值分析模型,采用时域显式整体分析方法,从围岩土体对浅埋地下结构的两种地震作用效应、组成结构构件不同的受力功能,以及关键构件的力学性能与体系受力分配改变导致的侧墙、中柱变形能力不协调等方面,系统阐述了大开地铁车站的地震破坏机理和失效模式,并提出了抗震关键支撑柱概念。     

地下变电站结构抗震分析及设计方法研究

结合我国上海、北京地区地下变电站的结构特点,综合已有的地铁车站、地铁隧道等抗震设计研究成果,对地下变电站结构的抗震分析与设计进行系统地分析与探讨。地下变电站的抗震设计在一定程度上能参考已有的地铁车站的抗震设计方法,但还必须考虑其自身楼板开孔等特点进行抗震设计,同时要对其抗震构造措施进行专门的研究。     

基于失效模式控制的地铁车站结构抗震性能研究

基于大开车站的塌毁是由于中柱变形能力不足所导致这一观点,对大开车站中柱进行了失效模式优化,提出一种新型叠层加芯柱。利用有限元软件ABAQUS建立三维非线性数值分析模型,静力分析叠层加芯柱的水平极限变形能力和实际工作状态,采用时域显式整体分析方法,对大开车站和采用叠层加芯柱的大开车站进行震害模拟,从典型时刻结构整体变形、中柱及侧墙的水平向和竖向地震反应等方面对比分析两者抗震性能的差异。研究结果表明:叠层加芯柱具有良好的水平变形能力;采用叠层加芯柱后的大开车站整体变形明显减小,结构保存较为完好,未发生塌毁现象;中柱处于安全的工作状态、侧墙水平地震反应降低,结构竖向沉降大幅降低,整体性较好;失效模式控制对地下结构的抗震性能起到了显著的优化效果。     

砂性土地层中地铁车站抗震计算及分析

利用地层—结构时程分析法计算了砂性土中地下车站结构的地震响应,分析了其震害特征,总结了砂性土地层中地铁车站结构抗震薄弱环节及相应的处理措施,为长江中下游地区深厚砂性土地层中地下结构抗震设计提供借鉴。     

可液化地基中地铁车站周围场地地震反应分析

地基液化是地铁车站结构在地震中发生严重震害的重要威胁之一。基于对砂土液化大变形本构模型的研究,建立了可液化地基–地铁车站结构非线性静动力耦合相互作用分析模型,分析了该相互作用体系的地震反应规律。首先,对地铁车站结构周围地基的动孔隙水压力、位移和加速度的时空分布规律进行了分析,重点分析了可液化地基上车站结构上浮、周围侧向地基地表的地震沉降、车站结构周围地基的液化区分布特性及其位移矢量场特征;其次,对车站结构周围可液化地基的地震反应对地面结构的地基稳定性及其所处地震环境的影响进行了初步研究,研究成果可对控制可液化地基上地铁车站结构地基的震害及其对地面结构造成的震害影响提供科学依据和参考。     

地铁地下车站结构的地震反应分析

对地铁地下车站结构的抗震问题进行研究,对于降低地铁结构在遭遇强震作用时的经济损失和人员伤亡具有十分重要的意义。通过大型岩土工程有限元分析软件MIDAS-GTS建立了地下3层车站结构的三维数值分析模型,分别采用反应位移法和动力时程分析法对车站结构进行了地震反应分析,建模过程中考虑土体与地下车站结构动力相互作用机理,得到了结构在真实地震荷载作用下的内力和变形变化规律。研究得出结论:车站结构最大层间位移角在规范限值要求的范围内,结构抵抗侧向变形能力良好;车站结构中柱与顶底板连接节点处、侧墙与各层楼板相交处、结构顶底板与侧墙相交位置附近、顶底板边跨跨中等出现了较大内力响应,为抗震薄弱部位,需加强抗震措施以提高结构整体抗震能力。研究结果可为类似地铁地下车站结构的抗震分析提供借鉴。     

无梁楼盖地铁车站结构抗震性能研究

为了解无梁楼盖地铁车站结构的抗震性能,基于ABAQUS软件开展三维非线性地震响应的数值模拟,分析了3种地震波不同峰值加速度作用下的反应特性,并与常规车站进行对比。结果表明,无梁楼盖地铁车站于小震时仍保持较好的抗震完整性,但大震下呈现出脆性破坏的特点,地震波的峰值加速度大小是导致车站结构震害程度的关键因素;2种车站结构的震害及加速度响应程度与输入的地震波类型关系密切;车站结构的加速度响应沿车站纵向具有空间效应;中柱对车站的抗震性能贡献不明显,是抗震的薄弱构件,通过改变中柱截面从而改善车站结构的抗震性能作用并不理想。     

侧向连续开孔地下综合体地震响应分析

周围地下空间开发结构与地铁车站连通形成地下综合体,在其相连接侧墙上进行开孔以方便通行,但开孔必定会对结构抗震性能产生影响,因此有必要分析其地震响应.以实际工程为背景,建立结构三维模型,分析不同开孔方式对结构地震响应的影响,确定地下结构空间效应以及抗震薄弱部位.分析结果表明:地下综合体中车站部分的层间位移角、柱端水平弯矩...     

软土层埋深变化对地铁车站结构地震反应的影响规律研究

软土侧向大变形将是造成地铁车站结构严重震害的主要因素。为了明确软土层埋深对地铁车站结构地震反应的影响规律,对常见的两层三跨岛式地铁车站结构侧向和底部地基中存在不同埋深软土层时5种软场地和1个一般场地条件下地铁车站结构的地震反应进行了数值模拟分析。计算中采用自行建立的软土记忆型黏塑性动力本构模型模拟软土的动力非线性特性,混凝土的动力特性采用黏塑性动力损伤模型。给出了软土层不同埋深对地铁车站结构的加速度反应、侧向摆动位移反应和应力反应的影响规律,为提高软土地基上城市地铁车站结构的抗震性能及其抗震设计方法提供了依据。     

城市地铁车站及隧道结构的震害分析及其对策

本文结合阪神大地震中神户地铁的震害表现,分析了城市地铁车站及区间隧道的震害特点以及地铁工程的震害机理,并从地铁线路规划、抗震设计、地铁施工等三个方面提出了提高地铁抗震性能的对策.     

An end-to-end 3D seismic simulation of underground structures due to point dislocation source by using an FK-FEM hybrid approach

Based on the domain reduction idea and artificial boundary substructure method, this paper proposes an FK-FEM hybrid approach by integrating the advantages of FK and FEM (i.e., FK can efficiently generate high-frequency three translational motion, while FEM has rich elements types and constitutive models). An advantage of this approach is that it realizes the entire process simulation from point dislocation source to underground structure. Compared with the plane wave field input method, the FK-FEM hybrid approach can reflect the spatial variability of seismic motion and the influence of source and propagation path. This approach can provide an effective solution for seismic analysis of underground structures under scenario of earthquake in regions where strong earthquakes may occur but are not recorded, especially when active faults, crustal, and soil parameters are available. Taking Daikai subway station as an example, the seismic response of the underground structure is simulated after verifying the correctness of the approach and the effects of crustal velocity structure and source parameters on the seismic response of Daikai station are discussed. In this example, the influence of velocity structure on the maximum interlayer displacement angle of underground structure is 96.5% and the change of source parameters can lead to the change of structural failure direction.     

1-g shaking table tests on seismic enhancement of existing box culvert with partial ground-improvement method and its 2D dynamic simulation

An underground structure buried in a soft ground located in a seismic-active region may experience intolerable deformation due to earthquake loading. The collapse of Daikai Station of the Kobe subway line during the 1995 Hyogoken-Nambu Earthquake demonstrated that underground structures may also sometimes be at high risk for failure in a huge earthquake. In particular, box culverts constructed in a soft ground with a thin overburden are vulnerable to earthquakes. Some previously constructed box culverts do not meet the present requirements of seismic design standards. In this paper, numerical analyses and 1-g shaking table tests are conducted to evaluate the effect of partial ground improvement (PGI) as a seismic countermeasure for the above-mentioned existing box culverts. Particular attention is paid to the optimum pattern of PGI that can most efficiently reduce the impact of an earthquake on a box culvert. The underground structure of Daikai Station is taken as an example and its physical and geometric conditions are used to model the box culvert in the analyses and the tests. In order to accurately consider the influence of the soil-structure interaction (SSI) on the underground structures, both the soil and the box culvert are considered in the analyses and the shaking table tests. Four different patterns of PGI are considered. Based on the analyses and the tests, an optimum pattern for the PGI of existing box culverts is proposed.     

STS新管幕对地铁车站结构地震响应影响分析

为实现STS新管幕对地铁车站结构地震响应影响分析,以沈阳地铁十号线东北大马路站为工程背景,应用Midas-GTS软件,研究了在不同加速度强度的地震作用下,有STS新管幕和无STS新管幕地铁车站结构的地震响应变化规律。结果显示:在地震作用下,由于STS新管幕结构的存在,减小了车站结构的弯矩、位移及加速度,从而减小了地铁车站的变形,对抗震结果有利。地铁车站衬砌的连接部位特别是柱顶受地震强度影响较大,是地铁车站抗震的薄弱环节。STS新管幕结构对地铁车站抗震的影响规律与衬砌强度增加对地下结构抗震的影响规律相一致。研究可为沈阳地区地铁车站抗震研究及工程应用提供支撑。     

近距离地下穿越结构地震响应研究综述

鉴于设计和使用要求,近距离地下穿越工程大量涌现,形成了土体-相互穿越结构群复杂相互作用体系。多个地下结构出现近距离穿越情况时,在地震作用下结构与临近土体以及结构之间均存在动力相互作用,地下穿越结构体系的地震响应规律更加复杂。基于对大量实际近距离穿越工程案例的归纳整理,将地下穿越结构大体分为隧道相互穿越体系、隧道穿越地铁车站体系、地铁车站相互穿越体系。在总结地下穿越工程特点的基础上,分别阐述各穿越体系地震响应研究现状和进展,指出现有研究中存在的不足和问题,并对今后进一步研究的方向给出了一些建议。     

土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构动力相互作用分析

针对目前地铁地下车站结构抗震性能研究中不考虑地下连续墙存在的现实问题,通过建立土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构静动耦合非线性相互作用的有限元数值模型,对比分析了无地下连续墙、含单层地下连续墙及含双层地下连续墙等不同情况下异跨地铁地下车站结构的地震动力反应特征。结果表明:地下连续墙的存在仅在地震强度较小时能够显著提高车站主体结构的抗水平侧移能力,当地震强度较大时结构的水平位移增大明显;从结构层间位移的角度看,结构下层的层间位移涨幅最大,不考虑地下连续墙存在的计算结果将偏于危险;地下连续墙加强了地铁车站结构的抗侧移刚度,致使车站结构整体变形性态和内力分布发生重大变化,其中结构侧墙端部应力水平明显减小,各楼板端部的应力水平明显增大;本文计算工况中,异跨车站结构的下层中柱是抗震设计时的薄弱位置,其中以双层地下连续墙工况时的结构下层最为危险。     

地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题

针对我国尚缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和专门的地铁结构抗震设计规范的现状,在分析目前我国地铁等地下结构抗震研究及设计方法的基础上,重点阐述了需要迫切解决的五个关键问题:合理的地下结构动力分析模型,高效的地下结构-地基系统动力相互作用问题分析方法,合理而实用的地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能评估方法,地铁地下结构抗震构造措施,地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施。这些问题的研究和解决将为地铁地下结构抗震设计规范或规程的制定奠定坚实的基础。     

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。     

地下连续墙对叠合墙式地铁车站结构地震反应的影响研究

针对现行地铁地下车站结构的常见叠合墙式结构设计方法和抗震分析方法中不考虑地下连续墙存在的现实情况,基于数值计算方法,建立了土–地下连续墙–地下结构静动力耦合非线性相互作用有限元分析模型,分析了地下连续墙存在时对地铁地下车站主体结构地震反应的影响规律。研究结果表明:地下连续墙的存在对地铁车站主体结构的抗水平侧移能力有一定的提高作用,使得其顶底间的最大相对位移有显著减小。从这一结果出发,似乎可以认为地下结构抗震分析中不考虑地下连续墙时可看作是地下结构的地震安全储备。但是,地下连续墙的存在明显改变地下结构的整体变形性态,进而导致地下结构的内力发生重分布,尤其使得大震时车站结构的顶、中、底板一些关键部位的地震损伤程度明显比不考虑地下连续墙时要严重;同时,地下连续墙对车站结构顶底板表面与土体间的相对摩擦剪力也产生明显的影响。