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原文传递地铁地下结构的地震动力响应研究

论文题名：	地铁地下结构的地震动力响应研究
关键词：	地铁;地下结构;反应位移法;振动台试验;卓越频率;抗震性能;地震动力响应
摘要：	随着城市的快速发展，城市的交通状况日趋紧张，仅仅依靠地面交通已经不可能根本解决问题，人们已经把目光转到了地下空间。在北京市的总体规划中，已经提出修建十余条总长度300多公里的地铁线路。同时，地铁也是重要的防空设施，须满足国防需要。因此，确保其安全正常的运营和使用意义重大。一般认为，地下结构是抗震性能较好的结构。国内外多次强震中，地下结构的震害明显轻于地面结构，这也正是地下结构的突出优点之一。1995年日本阪神地震中，大开地铁站遭受完全倒塌破坏。这是人类自建造地铁以来，地铁首次在地震中遭到如此严重的破坏。这引起了世界各国研究设计人员的研究兴趣。研究地下结构动力特性的最好方法就是现场试验。但是，这种方法代价太大，对试验人员和监测条件要求很高，因此，进行的不多。目前，常用的方法是数值计算和实验室模型试验。本文采用了这两种方法对北京地区地铁车站结构的动力特性进行了研究。首先，数值计算方法和计算工具-有限差分法和软件FLAC进行了介绍。然后，使用软件FLAC2D对北京地区的某一处地铁区间隧道和北宫门地铁车站进行了动力分析。通过对计算结果分析发现，地震荷载下中柱弯矩最大值比静力下的弯矩增大了近15倍，但相对于中柱的强度极限并不大；地震荷载对中柱轴力的影响不大。所以，中柱不会因为地震波产生的荷载达到其强度而发生破坏。然后，使用拟静力法和反应位移法，对北宫门车站进行了抗震计算。拟静力法没有考虑侧墙和底板在地震所受的剪切应力作用，这导致地震的作用被低估。反应位移法能够较合理地估计结构因地震产生的附加内力。为了了解地下结构在地震作用下的响应，验证抗震设计方法中的假设是否适合北京地区，进行了土-地下结构振动台试验。在试验中，模型尺寸相似比为1/30；依次输入强度不同的北京人工波、呼家楼波、天津波、ElCentro波、Kobe波。由试验结果进得出结论如下：(1)加速度时程分析：随埋深的增加，土体内各点的峰值加速度越来越小，峰值加速度减小的幅度越来越大；随着埋深的增加，卓越频率的振幅与加速度峰值变化趋势相似。侧墙各点的正负极值出现的时刻相同，这说明各点会一起运动；卓越频率的振幅也有与加速度相同的规律。中柱的加速度变化规律与侧墙的相似。土体中加速度峰值要比结构上的加速度峰值大；随着埋深的增加，两者的差值也逐渐变大；卓越频率的振幅也有相同的规律。这说明结构与土存在相互作用，即土会对结构产生很大的推力。随着输入地震波的强度增加，峰值加速度的放大倍数基本不变，卓越频率的振幅则增加。卓越频率随着输入地震波强度的增加而减小，这说明模型产生了细小的损伤，而使其刚度减小。土中的卓越频率振幅大于结构上卓越频率振幅。 (2)应变分析：①中柱上的应变：中柱底端的应变时程曲线与输入波形非常相似，而在中柱顶端的应变与输入波形有区别。中柱顶端的应变峰值要大于底端的应变峰值，但是在顶端的应变基本上一直保持在一个方向，而底端的应变则随地震波波形的变化而在正负方向来回变化。在发生反复运动时，混凝土材料更容易发生破坏，因此这可能使中柱在强震中更容易在其底端发生破坏。在阪神地震中，大开车站发生倒塌就是因为中柱底端发生折断。 ②侧墙上的应变：侧墙上各点的应变时程曲线之间形状相似，但是与地震波时程曲线的形状差别很大，但是其变化趋势相似。因为侧墙与土体接触，地震波产生的附加土压力直接作用在结构的侧墙上。当土体在地震波作用下向一个方向运动时，侧墙在随地震波运动时也因附加动土压力作用而产生扭转变形，这两种运动的叠加使结构侧墙上的点的应变时程曲线与地震波不完全相似。侧墙上的应变在输入波强度高时，会在地震波出现峰值的时刻发生突然的变形，然后迅速恢复到一个较小的值，随后就保持这个小值。而在输入波强度较低时，应变较小，在某一小值间来回变化。这说明在地震强度低时，这些点处要比中柱更难发生破坏。而在强度高时，应变曲线与受冲击荷载的变形曲线相似，这可能导致其发生突然破坏。 (3)应力分析：因为侧墙与土体接触，地震波产生的附加土压力直接作用在结构的侧墙上。当土体在地震波作用下向一个方向运动时，侧墙在随地震波运动时也因附加动土压力作用而产生扭转变形，这两种运动的叠加使结构侧墙上的点的应变时程曲线与地震波不完全相似。最后，对试验过程使用计算软件FLAC进行了再现，计算结果与试验结果相近，说明使用FLAC能够模拟该试验过程。随着埋深变浅，即越靠近地表的点，其峰值加速度越大，这与振动台试验得到结果一致。随着埋深变浅，即越靠近地表，各点的卓越频率振幅增加。而且，随着输入波峰值加速度的增加，各点的卓越频率的振幅也随着增加。随着输入波的强度增加，模型的振动也越难表现出其自身频率，而是地震波的频率特性表现的更明显。这与振动台试验结果相同。随着埋深变浅，即越靠近地表，各点的位移变大；随着输入波峰值加速度的增加，各点的位移也随着增加；各点的位移最大值出现的时刻相同。这说明在地下结构抗震设计方法-反应位移法中，将地下结构的位移假设是可以接受的。结构上的加速度峰值要小于土体上的加速度峰值，这说明土-结构间存在的界面，相当于一个软弱层。地震波从土体中向结构传播时，要经过该软弱层，这使地震波的能量被该层物质的变形吸收，从而使结构上的加速度峰值变小，同时也使结构产生了较大的剪切扭转变形。因此，地下结构的抗震设计方法-位移反应法通过结构变形来计算地震力的方法，间接的考虑了土-结构的共同作用。随着埋深的变浅，结构附近土体内的剪应力变小；在结构底板处的应力最大。这说明在结构底板附近的土体产生的动应力要比顶板附近的动应力大很多，因此在拟静力法中假设顶板上覆土层产生的动力作用最大并不正确。根据数值分析和试验结果，进行数据拟合得出如下结论：在侧墙和中柱上，其中间点到顶端处的加速度相等，为基岩处峰值加速度的2倍；其底端到中间点处的加速度变化趋势为直线，底端处的峰值加速度为基岩处峰值加速度的1.8倍；底板处水平方向动应力呈梯形分布；水平动应力与静态应力比的最大值随输入波峰值加速度呈指数分布。
作者：	边金
专业：	结构工程
导师：	陶连金;张钦喜
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京工业大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文