地鐵地下結構的地震動力響應研究.pdf

1、隨著城市的快速發(fā)展，城市的交通狀況日趨緊張，僅僅依靠地面交通已經(jīng)不可能根本解決問題，人們已經(jīng)把目光轉到了地下空間。在北京市的總體規(guī)劃中，已經(jīng)提出修建十余條總長度300多公里的地鐵線路。同時，地鐵也是重要的防空設施，須滿足國防需要。因此，確保其安全正常的運營和使用意義重大。 一般認為，地下結構是抗震性能較好的結構。國內外多次強震中，地下結構的震害明顯輕于地面結構，這也正是地下結構的突出優(yōu)點之一。1995年日本阪神地震中，大開地鐵站

2、遭受完全倒塌破壞。這是人類自建造地鐵以來，地鐵首次在地震中遭到如此嚴重的破壞。這引起了世界各國研究設計人員的研究興趣。 研究地下結構動力特性的最好方法就是現(xiàn)場試驗。但是，這種方法代價太大，對試驗人員和監(jiān)測條件要求很高，因此，進行的不多。目前，常用的方法是數(shù)值計算和實驗室模型試驗。本文采用了這兩種方法對北京地區(qū)地鐵車站結構的動力特性進行了研究。 首先，數(shù)值計算方法和計算工具-有限差分法和軟件FLAC進行了介紹。然后，使用軟

3、件FLAC2D對北京地區(qū)的某一處地鐵區(qū)間隧道和北宮門地鐵車站進行了動力分析。通過對計算結果分析發(fā)現(xiàn)，地震荷載下中柱彎矩最大值比靜力下的彎矩增大了近15倍，但相對于中柱的強度極限并不大；地震荷載對中柱軸力的影響不大。所以，中柱不會因為地震波產生的荷載達到其強度而發(fā)生破壞。 然后，使用擬靜力法和反應位移法，對北宮門車站進行了抗震計算。擬靜力法沒有考慮側墻和底板在地震所受的剪切應力作用，這導致地震的作用被低估。反應位移法能夠較合理地估

4、計結構因地震產生的附加內力。 為了了解地下結構在地震作用下的響應，驗證抗震設計方法中的假設是否適合北京地區(qū)，進行了土-地下結構振動臺試驗。在試驗中，模型尺寸相似比為1/30；依次輸入強度不同的北京人工波、呼家樓波、天津波、ElCentro波、Kobe波。由試驗結果進得出結論如下：(1)加速度時程分析：隨埋深的增加，土體內各點的峰值加速度越來越小，峰值加速度減小的幅度越來越大；隨著埋深的增加，卓越頻率的振幅與加速度峰值變化趨勢相似

5、。 側墻各點的正負極值出現(xiàn)的時刻相同，這說明各點會一起運動；卓越頻率的振幅也有與加速度相同的規(guī)律。中柱的加速度變化規(guī)律與側墻的相似。 土體中加速度峰值要比結構上的加速度峰值大；隨著埋深的增加，兩者的差值也逐漸變大；卓越頻率的振幅也有相同的規(guī)律。這說明結構與土存在相互作用，即土會對結構產生很大的推力。隨著輸入地震波的強度增加，峰值加速度的放大倍數(shù)基本不變，卓越頻率的振幅則增加。卓越頻率隨著輸入地震波強度的增加而減小，這說明

6、模型產生了細小的損傷，而使其剛度減小。土中的卓越頻率振幅大于結構上卓越頻率振幅。 (2)應變分析：①中柱上的應變：中柱底端的應變時程曲線與輸入波形非常相似，而在中柱頂端的應變與輸入波形有區(qū)別。中柱頂端的應變峰值要大于底端的應變峰值，但是在頂端的應變基本上一直保持在一個方向，而底端的應變則隨地震波波形的變化而在正負方向來回變化。在發(fā)生反復運動時，混凝土材料更容易發(fā)生破壞，因此這可能使中柱在強震中更容易在其底端發(fā)生破壞。在阪神地震中

7、，大開車站發(fā)生倒塌就是因為中柱底端發(fā)生折斷。 ②側墻上的應變：側墻上各點的應變時程曲線之間形狀相似，但是與地震波時程曲線的形狀差別很大，但是其變化趨勢相似。因為側墻與土體接觸，地震波產生的附加土壓力直接作用在結構的側墻上。當土體在地震波作用下向一個方向運動時，側墻在隨地震波運動時也因附加動土壓力作用而產生扭轉變形，這兩種運動的疊加使結構側墻上的點的應變時程曲線與地震波不完全相似。 側墻上的應變在輸入波強度高時，會在地震波

8、出現(xiàn)峰值的時刻發(fā)生突然的變形，然后迅速恢復到一個較小的值，隨后就保持這個小值。而在輸入波強度較低時，應變較小，在某一小值間來回變化。這說明在地震強度低時，這些點處要比中柱更難發(fā)生破壞。而在強度高時，應變曲線與受沖擊荷載的變形曲線相似，這可能導致其發(fā)生突然破壞。 (3)應力分析：因為側墻與土體接觸，地震波產生的附加土壓力直接作用在結構的側墻上。當土體在地震波作用下向一個方向運動時，側墻在隨地震波運動時也因附加動土壓力作用而產生扭轉

9、變形，這兩種運動的疊加使結構側墻上的點的應變時程曲線與地震波不完全相似。 最后，對試驗過程使用計算軟件FLAC進行了再現(xiàn)，計算結果與試驗結果相近，說明使用FLAC能夠模擬該試驗過程。 隨著埋深變淺，即越靠近地表的點，其峰值加速度越大，這與振動臺試驗得到結果一致。隨著埋深變淺，即越靠近地表，各點的卓越頻率振幅增加。而且，隨著輸入波峰值加速度的增加，各點的卓越頻率的振幅也隨著增加。隨著輸入波的強度增加，模型的振動也越難表現(xiàn)出

10、其自身頻率，而是地震波的頻率特性表現(xiàn)的更明顯。這與振動臺試驗結果相同。 隨著埋深變淺，即越靠近地表，各點的位移變大；隨著輸入波峰值加速度的增加，各點的位移也隨著增加；各點的位移最大值出現(xiàn)的時刻相同。這說明在地下結構抗震設計方法-反應位移法中，將地下結構的位移假設是可以接受的。 結構上的加速度峰值要小于土體上的加速度峰值，這說明土-結構間存在的界面，相當于一個軟弱層。地震波從土體中向結構傳播時，要經(jīng)過該軟弱層，這使地震波的

11、能量被該層物質的變形吸收，從而使結構上的加速度峰值變小，同時也使結構產生了較大的剪切扭轉變形。因此，地下結構的抗震設計方法-位移反應法通過結構變形來計算地震力的方法，間接的考慮了土-結構的共同作用。 隨著埋深的變淺，結構附近土體內的剪應力變小；在結構底板處的應力最大。這說明在結構底板附近的土體產生的動應力要比頂板附近的動應力大很多，因此在擬靜力法中假設頂板上覆土層產生的動力作用最大并不正確。 根據(jù)數(shù)值分析和試驗結果，進行