地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)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(rèn)為，地下結(jié)構(gòu)是抗震性能較好的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外多次強(qiáng)震中，地下結(jié)構(gòu)的震害明顯輕于地面結(jié)構(gòu)，這也正是地下結(jié)構(gòu)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(yán)重的破壞。這引起了世界各國研究設(shè)計人員的研究興趣。 研究地下結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了動力分析。通過對計算結(jié)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(qiáng)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(chǎn)生的荷載達(dá)到其強(qiáng)度而發(fā)生破壞。 然后，使用擬靜力法和反應(yīng)位移法，對北宮門車站進(jìn)行了抗震計算。擬靜力法沒有考慮側(cè)墻和底板在地震所受的剪切應(yīng)力作用，這導(dǎo)致地震的作用被低估。反應(yīng)位移法能夠較合理地估

4、計結(jié)構(gòu)因地震產(chǎn)生的附加內(nèi)力。 為了了解地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，驗證抗震設(shè)計方法中的假設(shè)是否適合北京地區(qū)，進(jìn)行了土-地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗。在試驗中，模型尺寸相似比為1/30；依次輸入強(qiáng)度不同的北京人工波、呼家樓波、天津波、ElCentro波、Kobe波。由試驗結(jié)果進(jìn)得出結(jié)論如下：(1)加速度時程分析：隨埋深的增加，土體內(nèi)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(cè)墻各點的正負(fù)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(cè)墻的相似。 土體中加速度峰值要比結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與土存在相互作用，即土?xí)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的推力。隨著輸入地震波的強(qiáng)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(qiáng)度的增加而減小，這說明

6、模型產(chǎn)生了細(xì)小的損傷，而使其剛度減小。土中的卓越頻率振幅大于結(jié)構(gòu)上卓越頻率振幅。 (2)應(yīng)變分析：①中柱上的應(yīng)變：中柱底端的應(yīng)變時程曲線與輸入波形非常相似，而在中柱頂端的應(yīng)變與輸入波形有區(qū)別。中柱頂端的應(yīng)變峰值要大于底端的應(yīng)變峰值，但是在頂端的應(yīng)變基本上一直保持在一個方向，而底端的應(yīng)變則隨地震波波形的變化而在正負(fù)方向來回變化。在發(fā)生反復(fù)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(qiáng)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(cè)墻上的應(yīng)變：側(cè)墻上各點的應(yīng)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(cè)墻與土體接觸，地震波產(chǎn)生的附加土壓力直接作用在結(jié)構(gòu)的側(cè)墻上。當(dāng)土體在地震波作用下向一個方向運動時，側(cè)墻在隨地震波運動時也因附加動土壓力作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，這兩種運動的疊加使結(jié)構(gòu)側(cè)墻上的點的應(yīng)變時程曲線與地震波不完全相似。 側(cè)墻上的應(yīng)變在輸入波強(qiáng)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(fù)到一個較小的值，隨后就保持這個小值。而在輸入波強(qiáng)度較低時，應(yīng)變較小，在某一小值間來回變化。這說明在地震強(qiáng)度低時，這些點處要比中柱更難發(fā)生破壞。而在強(qiáng)度高時，應(yīng)變曲線與受沖擊荷載的變形曲線相似，這可能導(dǎo)致其發(fā)生突然破壞。 (3)應(yīng)力分析：因為側(cè)墻與土體接觸，地震波產(chǎn)生的附加土壓力直接作用在結(jié)構(gòu)的側(cè)墻上。當(dāng)土體在地震波作用下向一個方向運動時，側(cè)墻在隨地震波運動時也因附加動土壓力作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)

9、變形，這兩種運動的疊加使結(jié)構(gòu)側(cè)墻上的點的應(yīng)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(jìn)行了再現(xiàn)，計算結(jié)果與試驗結(jié)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(jié)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(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法-反應(yīng)位移法中，將地下結(jié)構(gòu)的位移假設(shè)是可以接受的。 結(jié)構(gòu)上的加速度峰值要小于土體上的加速度峰值，這說明土-結(jié)構(gòu)間存在的界面，相當(dāng)于一個軟弱層。地震波從土體中向結(jié)構(gòu)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(zhì)的變形吸收，從而使結(jié)構(gòu)上的加速度峰值變小，同時也使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的剪切扭轉(zhuǎn)變形。因此，地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法-位移反應(yīng)法通過結(jié)構(gòu)變形來計算地震力的方法，間接的考慮了土-結(jié)構(gòu)的共同作用。 隨著埋深的變淺，結(jié)構(gòu)附近土體內(nèi)的剪應(yīng)力變小；在結(jié)構(gòu)底板處的應(yīng)力最大。這說明在結(jié)構(gòu)底板附近的土體產(chǎn)生的動應(yīng)力要比頂板附近的動應(yīng)力大很多，因此在擬靜力法中假設(shè)頂板上覆土層產(chǎn)生的動力作用最大并不正確。 根據(jù)數(shù)值分析和試驗結(jié)果，進(jìn)行