地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)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(wèn)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(zhǎng)度300多公里的地鐵線路。同時(shí)，地鐵也是重要的防空設(shè)施，須滿足國(guó)防需要。因此，確保其安全正常的運(yùn)營(yíng)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(guó)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(diǎn)之一。1995年日本阪神地震中，大開(kāi)地鐵站

2、遭受完全倒塌破壞。這是人類自建造地鐵以來(lái)，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(guó)研究設(shè)計(jì)人員的研究興趣。 研究地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的最好方法就是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。但是，這種方法代價(jià)太大，對(duì)試驗(yàn)人員和監(jiān)測(cè)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)。本文采用了這兩種方法對(duì)北京地區(qū)地鐵車站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。 首先，數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)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(duì)北京地區(qū)的某一處地鐵區(qū)間隧道和北宮門(mén)地鐵車站進(jìn)行了動(dòng)力分析。通過(guò)對(duì)計(jì)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(duì)于中柱的強(qiáng)度極限并不大；地震荷載對(duì)中柱軸力的影響不大。所以，中柱不會(huì)因?yàn)榈卣鸩óa(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(duì)北宮門(mén)車站進(jìn)行了抗震計(jì)算。擬靜力法沒(méi)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(jì)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(yàn)證抗震設(shè)計(jì)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。在試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)得出結(jié)論如下：(1)加速度時(shí)程分析：隨埋深的增加，土體內(nèi)各點(diǎn)的峰值加速度越來(lái)越小，峰值加速度減小的幅度越來(lái)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(shì)相似

5、。 側(cè)墻各點(diǎn)的正負(fù)極值出現(xiàn)的時(shí)刻相同，這說(shuō)明各點(diǎn)會(huì)一起運(yùn)動(dòng)；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(shuō)明結(jié)構(gòu)與土存在相互作用，即土?xí)?duì)結(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(shuō)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(shí)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(gè)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(lái)回變化。在發(fā)生反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(kāi)車站發(fā)生倒塌就是因?yàn)橹兄锥税l(fā)生折斷。 ②側(cè)墻上的應(yīng)變：側(cè)墻上各點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線之間形狀相似，但是與地震波時(shí)程曲線的形狀差別很大，但是其變化趨勢(shì)相似。因?yàn)閭?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(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)墻在隨地震波運(yùn)動(dòng)時(shí)也因附加動(dòng)土壓力作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，這兩種運(yùn)動(dòng)的疊加使結(jié)構(gòu)側(cè)墻上的點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線與地震波不完全相似。 側(cè)墻上的應(yīng)變?cè)谳斎氩◤?qiáng)度高時(shí)，會(huì)在地震波

8、出現(xiàn)峰值的時(shí)刻發(fā)生突然的變形，然后迅速恢復(fù)到一個(gè)較小的值，隨后就保持這個(gè)小值。而在輸入波強(qiáng)度較低時(shí)，應(yīng)變較小，在某一小值間來(lái)回變化。這說(shuō)明在地震強(qiáng)度低時(shí)，這些點(diǎn)處要比中柱更難發(fā)生破壞。而在強(qiáng)度高時(shí)，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?yàn)閭?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(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)墻在隨地震波運(yùn)動(dòng)時(shí)也因附加動(dòng)土壓力作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)

9、變形，這兩種運(yùn)動(dòng)的疊加使結(jié)構(gòu)側(cè)墻上的點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線與地震波不完全相似。 最后，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程使用計(jì)算軟件FLAC進(jìn)行了再現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，說(shuō)明使用FLAC能夠模擬該試驗(yàn)過(guò)程。 隨著埋深變淺，即越靠近地表的點(diǎn)，其峰值加速度越大，這與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)得到結(jié)果一致。隨著埋深變淺，即越靠近地表，各點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果相同。 隨著埋深變淺，即越靠近地表，各點(diǎn)的位移變大；隨著輸入波峰值加速度的增加，各點(diǎn)的位移也隨著增加；各點(diǎn)的位移最大值出現(xiàn)的時(shí)刻相同。這說(shuō)明在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(shuō)明土-結(jié)構(gòu)間存在的界面，相當(dāng)于一個(gè)軟弱層。地震波從土體中向結(jié)構(gòu)傳播時(shí)，要經(jīng)過(guò)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(shí)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(jì)方法-位移反應(yīng)法通過(guò)結(jié)構(gòu)變形來(lái)計(jì)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?。辉诮Y(jié)構(gòu)底板處的應(yīng)力最大。這說(shuō)明在結(jié)構(gòu)底板附近的土體產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力要比頂板附近的動(dòng)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(dòng)力作用最大并不正確。 根據(jù)數(shù)值分析和試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行