可液化场地中复杂异跨地铁地下车站结构的地震反应分析

地基液化是导致地铁地下车站结构在地震中发生严重破坏的重要威胁之一,然而目前对可液化场地中地铁地下车站结构地震反应的研究较少,尤其是针对大型复杂异跨地铁地下车站结构地震反应的研究更是少见。通过引入砂土液化大变形本构模型,采用有限元网格自适应调整技术克服土体网格大变形的畸变问题,建立了可液化场地土一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,分析了该相互作用体系的场地液化分布特征、异跨车站结构上浮特征、周围场地位移沉降及矢量特征、结构侧向变形和地震损伤破坏特征等,初步揭示了该相互作用体系的地震反应规律及液化地基中大型异跨地下结构的地震破坏特征,研究成果可为提高可液化场地中异跨地铁车站结构地震反应的认识及完善其抗震设计方法提供合理的参考。     

基于不同地基隔震体系的两层三跨地铁地下车站结构抗震性能分析

针对两层三跨地铁地下车站结构的地震破坏特征，采用水泥橡胶砂混合土作为地铁地下车站结构周围回填地基隔震层，建立三种不同地基隔震体系的土-隔震层-地下结构静、动力耦合非线性动力相互作用的二维有限元计算模型，分析了不同地基隔震层设置方案对地铁地下车站结构的相对层间位移角、加速度反应、震后残余变形和混凝土地震损伤破坏等地震反应的影响规律。结果表明：在地下车站结构周围地基设置水泥橡胶砂隔震层可以有效地减轻地下车站结构的地震侧向变形，尤其是在四周都采用隔震材料回填时效果最好；总体来看，在车站结构周围采用不同地基隔震的方法均可以有效地减轻地下车站结构的惯性力和混凝土地震损伤程度，提高了结构的整体抗震性能，从经济角度和施工方便出发，建议优先选用在地下车站结构两侧设置地基隔震层。     

场地均质性对浅埋地铁车站地下结构地震易损性的影响

场地条件是影响地下结构地震响应的关键因素之一,该文旨在研究场地均质性对于地铁车站地下结构地震易损性的影响。以两层两跨地铁车站为研究对象,基于ABAQUS/Standard软件平台建立了考虑土-结构相互作用的二维有限元分析模型。模型考虑了循环动力荷载作用下土体的非线性与钢筋混凝土的弹塑性力学行为。采用增量动力分析方法分别计算了结构在层层场地条件下与均质场地条件下结构的地震响应,并以层间位移角为损伤指标与地面峰值加速度为地震动强度指标绘制了地铁车站结构的地震易损性曲线。结果表明,层层场地条件下结构的响应均值要显著高于均质场地,但两者标准差一致。在地震动作用下,结构处于层层场地下的破坏概率要明显高于均质场地,这主要归因于层层场地中毗邻结构的土体产生了较大的剪切变形。上述结论可为地下结构基于性能的抗震设计提供科学参考。     

地震次生火灾中城市地铁地下结构的灾变性能研究

地震及次生火灾是严重威胁人类社会安全的重大灾害,历史上曾多次带来巨大生命财产损失。地铁地下结构作为当今大中型城市基础建设的重要组成部分,一旦在强震或震后火灾中破坏,将带来重大的社会和经济损失,震后救援和修复也极为困难。地下结构的抗震及抗火研究起步较晚,城市地下结构在地震及其次生火灾作用下的灾变性能亟待研究。通过三维精细化非线性有限元数值模拟,将动力时程分析、热传导分析和热力分析相结合,研究了典型地铁车站结构在地震及次生火灾中的变形、损伤及内力演化,讨论了地下结构地震损伤对其抗火性能的影响,为地铁地下结构的抗震抗火设计提供参考。     

采用不同隔震形式的双层地铁地下车站结构地震反应分析

针对地铁地下车站结构中柱、中板等抗震薄弱构件，分别研究了车站结构在传统完全约束结构形式下，在上下层中柱顶部设置弹性滑移支座时，以及本文提出的在中板边缘及底层中柱设置隔震支座时的地震反应特性，建立了土-地下结构非线性静动力耦合相互作用的二维有限元分析模型，对比分析了采用不同隔震形式对车站主体结构静动力反应特性的影响规律。结果表明：与传统车站结构相比，在中柱顶部设置弹性滑移支座能有效降低车站中柱处的地震损伤，具有更好的抗震性能。采用本文提出的中板边缘及底层中柱设置隔震支座，可以在减小中柱所受地震损伤的同时，有效地保证结构中板在强地震中不受严重损伤，从而提高车站的整体抗震性能。     

饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性分析

为进一步研究饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性问题,以某单层双跨地铁车站为研究对象,综合考虑场地类别、地震动不确定性的影响,采用u-p格式饱和两相介质有效应力动力求解方法,建立饱和砂土场地-地铁车站结构体系耦合动力非线性分析数值模型,选取最大层间位移角为结构损伤指标,基于增量动力分析IDA法获得结构在地震作用下动力响应数据,进而构建地铁车站结构的地震易损性曲线,并求得结构在各级地震动作用下的不同破坏状态超越概率。分析结果表明:当PGA0.7 g时,饱和砂土场地中地铁车站结构以发生中等损伤和轻微损伤为主;当PGA≥0.7 g时,结构以严重损伤为主,并且向坍塌发展。此饱和砂土场地中地铁车站结构地震易损性分析流程方法,可为地铁车站抗震设计和减灾预测评估提供参考。     

软土层场地复杂地铁地下车站结构地震反应分析

软土层对地下结构的地震反应具有重要影响,以往已对软土地基中规则矩形地铁地下车站结构的地震反应进行过研究,其规律对于复杂截面地下结构是否适用还需要进一步探讨。通过考虑车站结构侧向、底部分别存在不同埋深、不同厚度软土层时的27种软土层场地,对上层五跨、下层三跨的新型复杂大型地铁地下车站结构地震反应进行分析,揭示了此类异跨地铁车站结构的地震反应特征,初步给出了软土层埋深、厚度变化对此类车站结构加速度反应、侧向位移反应和地震破坏特征的影响规律。结果表明:异跨车站结构两侧或下方一定范围内存在软土层或将减小结构的加速度反应,而当底板以下20 m深处存在软土层时结构顶板的加速度反应则被大幅放大,约为7.88%～12.72%;异跨车站结构侧向位移沿高度的变化曲线具有明显的"阶梯效应";软土层位于结构侧向时对结构抗震不利,并且当软土层位于下层侧方时结构的动力反应较大,而当软土层位于结构底板下方时能够起到一定的隔震作用。     

地铁车站钢筋混凝土中柱试件抗震混合试验研究

地下结构抗震性能试验中同样存在缩尺比问题。以地铁车站结构钢筋混凝土中柱为足尺试验对象,进行地铁车站结构抗震混合试验研究。试验中的试验子结构取为车站中柱,该试件采用MTS作动器加载通过OpenFresco从数值子结构获得地震作用;取车站结构剩余部分与车站周围土体为数值子结构,数值子结构采用OpenSees模拟,地震激励由数值子结构底部输入。试验结果显示:随着地震动加速度峰值(PBA)增加,试验构件进入损伤状态,侧向刚度降低;在输入基岩波为上海人工波时,在弹性工作状态下纯数值模型的层间位移和水平剪力与试验结果匹配较好,表明采用的OpenSees,OpenFresco,MTS混合试验系统在测试地下结构地震响应时具有良好的稳定性与准确性。     

提高地铁车站结构抗震能力的理论及数值分析

1995年阪神地震中,地铁车站等地下结构遭受了严重的破坏,其中大开地铁车站破坏尤为严重,一半以上的中柱发生坍塌,为了提高地铁车站结构的抗震能力,本文基于第二类拉格朗日方程首先建立了地震荷载和轴力联合作用下柔性动边界梁动力响应的分析方法,并讨论了轴力和弹簧刚度与阻尼系数对动力响应的影响特点与规律,然后利用ABAQUS软件对阪神地震荷载作用下大开地铁车站在有无设置隔震器时进行了三维非线性动力分析。研究结果表明：)     

地裂缝场地地铁车站振动台试验和数值模拟研究EI北大核心CSCD

地裂缝场地动力效应和上、下盘错动严重影响地下结构的安全。以处于地裂缝环境的西安康复路地铁车站为研究对象,开展了水平和竖向地震共同作用下地裂缝场地地铁车站振动台试验,分析了模型土与车站的加速度反应规律及模型车站应变分布特征。同时,采用有限元软件ABAQUS建立有无地裂缝场地条件下车站的三维数值模型,研究了2类场地条件下地铁车站层间位移角和地震损伤分布规律。结果表明:水平和竖向地震共同作用时,地裂缝场地上、下盘动力差异响应和车站加速度反应较单向水平地震作用时明显增大。相较于无地裂缝场地车站,地裂缝场地车站的层间位移角明显增大,其构件损伤发展更加剧烈。这是由于地裂缝场地土与车站之间易出现脱空区,造成车站振动反应增强;同时,竖向地震引起的地裂缝场地上下盘错动会产生对车站附加的剪切作用,使其中柱更易发生严重损伤而导致结构整体破坏。     

对称地下结构抗震分析的边界强制反应位移法

基于土-地下结构体系拟静力推覆试验的需求,该文探讨一种模型侧边界强制施加水平位移的对称地下结构地震反应简化分析方法,即边界强制反应位移法。该文详细介绍了这一边界强制反应位移法的实施步骤及基本特点,并以1995年日本阪神地震中破坏的Daikai车站为算例,将该文方法、传统的强制反应位移法及动力时程方法计算结果进行了对比分析,结果表明:当模型宽度取值合理时,该文方法计算精度远高于传统的强制反应位移法,结构内力和层间位移误差在15%以内,是一种有效的对称地下结构抗震简化分析方法。同时,该文分析了拟静力模型中侧边界强制位移传递的衰减规律,可为土-地下结构体系拟静力推覆试验提供一定的参考。     

基于GPU并行计算的地下结构非线性动力分析软件平台开发

为解决地下结构隐式非线性动力分析收敛性差和计算效率低的技术瓶颈,该文建立了基于GPU并行计算的地下结构显式动力分析软件平台。在此平台中提出并实现了一种混凝土弥散开裂模型;给出并实现了一种钢筋纤维与实体单元的耦合方法;基于等参元思想,提出了人工边界节点的单元从属面积的计算方法;为实现节点不协调情况下的土与结构相互作用分析,开发实现了一种实体单元间的两节点接触单元。利用该文开发的软件对日本大开地铁站进行了重力场分析、线性和非线性动力分析。将重力场和线性动力分析结果与ABAQUS分析结果进行了对比,结果表明该文软件计算结果与ABAQUS计算结果一致,且计算效率约为ABAQUS计算效率的5.68倍,验证了软件各模块的正确性和效率。另外,通过将非线性计算结果与灾害调查结果进行对比分析,验证了软件非线性分析的稳定性和合理性。     

RC框架结构多层次地震损伤演化分析方法

为掌握地震作用下结构在破坏过程中由材料至整体结构不同层次的非线性状态,基于单元耦合技术、多层次损伤性能水准、多层次地震损伤模型,提出了RC框架结构多层次地震损伤演化分析方法。根据耦合界面上能量平衡原理建立的单元耦合技术,能够同时准确计算结构整体力学性能和局部破坏细节,可用以结构多层次损伤数值模拟。按照“材料、截面、构件、楼层、结构”不同层次的破坏特征,提出了作为损伤性能评价标准的多层次损伤性能水准,且统一定义为五个水准。基于变形等价原理和广义力-变形曲线,建立了多层次地震损伤模型,其在各层次上具有一致的力学意义。以某原型RC框架结构试验为分析对象,详细阐述了结构多层次地震损伤演化分析方法。     

地下结构横截面地震反应拟静力计算方法对比研究

对目前地下结构横截面地震反应计算中广泛采用的地震系数法、自由场变形法、土-结构相互作用系数法、反应位移法、反应加速度法等多种拟静力方法进行介绍及分析。以大开地铁车站地震反应为例进行数值模拟,通过改变输入地震波、结构刚度、土层刚度以及结构埋深对各种拟静力计算方法的适用性进行了研究,将不同方法的计算结果与动力时程分析方法结果进行了对比。研究结果表明:反应加速度法与动力时程分析方法符合较好,表明该方法在常见地下结构环境条件下具有良好的适用性与计算精度,可以用于地下结构的抗震反应分析。     

考虑梁柱节点模型的钢筋混凝土框架地震易损性研究

钢筋混凝土框架结构的梁柱节点对结构抗震力学性能具有显著的影响。基于刚性节点假定和宏观柔性模型的节点模拟方式,一直缺乏有关其适用范围的研究。地震易损性分析方法的引入,能够从概率意义上定量地刻画这两种节点模型对钢筋混凝土框架结构抗震力学性能的影响,获得的结论可望为钢筋混凝土框架结构梁柱节点的处理提供理论的依据与支撑。因此,该文基于OpenSees平台,考虑地震动输入的随机性,通过采用双频率段控制选波方法,并采用增量动力分析理论,定义4个不同的抗震性能水准,对三榀不同层数的钢筋混凝土框架结构分别采用刚性节点假定和宏观柔性模型进行了地震易损性研究。获得的结论表明:基于我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构,在多遇地震作用下,采用刚性节点假定对结构进行抗震性能评估是合理的,否则需要考虑梁柱节点变形对整个框架结构抗震性能的影响。     

基于非线性随机最优控制的大跨度斜拉桥地震响应Benchmark问题研究

大跨度斜拉桥Benchmark问题的振动控制研究是当前国际结构控制研讨会的重要议题之一。以美国Bill Emerson Memorial斜拉桥第二阶段Benchmark模型为研究对象,在非线性随机动力学与控制的拟哈密顿理论体系框架下,运用基于随机平均法和随机动态规划原理的非线性随机最优（NSO）控制策略,对地震作用下的Benchmark模型进行MATLAB仿真分析。将最优控制力和性能评价指标与线性二次型Gauss（LQG）控制的计算结果进行对比,得出非线性随机最优控制策略能够更加有效地抑制斜拉桥的地震响应,提高结构的动力稳定性和抗震能力,具有更好的控制效果,对实际桥梁工程的振动控制具有较强的指导意义和适用价值。     

钢筋混凝土框架结构楼梯震害分析与设计建议

楼梯本应当建成为突发事件的应急疏散安全通道,但是近年来国内外几次地震中却发现钢筋混凝土框架结构的楼梯间发生了严重的破坏。楼梯构件在地震中充当了第一道抗震防线,首先发生屈服破坏,失去了应急疏散安全通道的作用,不能满足预期的抗震设防要求。我国现行建筑抗震设计规范对楼梯的设计提出了特别要求,使其能够实现在大震下具有安全避难通道的目标。对典型钢筋混凝土框架结构考虑和不考虑楼梯作用两种情况进行多遇地震作用下的计算分析对比,考察楼梯对结构受力的影响,并通过静力弹塑性分析探讨楼梯对框架结构的屈服破坏机制的影响,分析了钢筋混凝土框架结构现浇楼梯和预制楼梯在地震中破坏的原因。最后,结合计算分析结果及目前有关楼梯的设计方法,提出了楼梯的改进设计建议。     

高烈度软土场地桥梁地震与冲刷联合作用效应研究

冲刷会导致桥梁基础裸露,土体对桩基的约束作用减弱,使得桥梁基础在地震作用下的危险性增大,因此建立冲刷与地震联合作用下桥梁的失效概率模型,分析震区连续刚构桥冲刷作用组合分项系数具有重要的意义。以地震基本烈度Ⅷ度区某连续刚构桥为依托工程,基于Monte-Carlo法确定冲刷深度的分布函数,并采用CSIBridge有限元软件建立不同冲刷深度下全桥空间有限元动力模型,进行48条地震波下的增量动力分析(IDA),计算不同冲刷深度的地震作用效应分布函数,并采用直接积分法求得桥梁基础的失效概率及可靠度指标。研究结果表明:通过冲刷与地震的联合作用框架下失效概率分析,可建立冲刷深度与失效概率的非线性关系;该方法可合理确定冲刷与地震作用组合下荷载组合分项系数,可为桥梁在冲刷与地震联合作用下的风险评估和设计提供参考。