土–地下连续墙–复杂异跨地铁车站结构动力相互作用分析

针对目前地铁地下车站结构抗震性能研究中不考虑地下连续墙存在的现实问题,通过建立土–地下连续墙–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,对比分析了无地下连续墙、含单层地下连续墙及含双层地下连续墙等不同情况下异跨地铁地下车站结构的地震动力反应特征。结果表明:地下连续墙的存在仅在地震强度较小时能够显著提高车站主体结构的抗水平侧移能力,当地震强度较大时结构的水平位移增大明显;从结构层间位移的角度看,结构下层的层间位移涨幅最大,不考虑地下连续墙存在的计算结果将偏于危险;地下连续墙加强了地铁车站结构的抗侧移刚度,致使车站结构整体变形性态和内力分布发生重大变化,其中结构侧墙端部应力水平明显减小,各楼板端部的应力水平明显增大;本文计算工况中,异跨车站结构的下层中柱是抗震设计时的薄弱位置,其中以双层地下连续墙工况时的结构下层最为危险。     

基于振动台试验的黄土场地具有地上结构地铁车站地震反应特性分析

以兰州某地铁车站为研究背景,开展了黄土场地具有地上结构的地铁车站结构体系大型振动台模型试验。测试并分析了模型体系的基频、加速度和水平位移反应以及模型车站的应变和侧墙处的动土压力反应等。结果表明:浅层地基土及埋置于其中的模型车站地下结构的加速度反应对地震动频谱特性具有较高的敏感性,而深层地基土及模型车站地上结构的加速度反应对地震动频谱特性敏感性较低;在土-结构动力相互作用过程中,地基土与地下结构运动方向相反,地基土对地下结构的变形起到"主动"约束和限制作用;结构地上第一层中柱底部是地铁车站的最薄弱部位;模型结构侧墙处动土压力增量在深度方向的变化规律受地震动强度及地基土弹塑性状态的影响。     

地铁地下结构抗震设计方法差异性规律研究

详细介绍动力时程分析方法、反应位移法、整体式反应位移法、强制反应位移法、张建民地震土压力方法、简化地震土压力方法、反应加速度法、地下结构Pushover分析方法等地铁地下结构抗震设计方法。结合以上各种抗震设计方法,计算不同地质条件以及不同埋深条件下北京地下直径线单层框架结构侧墙变形(顶底板位移差值)及结构内力,并对其结果进行比较分析,为探讨各种设计方法计算结果的差异性规律提供一定的依据。结果表明,不同土层条件时,反应加速度法、地下结构Pushover分析方法与动力时程分析方法计算值基本一致;不同埋深条件时,基于日本铁路抗震设计规范动弹簧系数的反应位移法、张建民地震土压力方法与动力时程分析方法计算值更为接近。     

地下结构地震破坏机制试验研究

利用自行研制的三维叠层剪切模型箱,完成黏土层中典型三层三跨地铁车站模型的地震响应大型振动台试验。通过对车站模型结构和土层中的加速度时程及其傅里叶频率幅值谱的对比研究,分析地下结构动应变变化规律及结构破坏宏观现象。揭示地下结构地震破坏机制为地下结构地震响应主要受周围土层控制,土层相对较软时,地下结构易发生破坏。同时,埋深越浅,地下结构破坏越严重。地下结构的地震破坏模式是地下结构周围土体的剪切变形使结构产生层间相对位移,当位移过大时,楼板与侧墙将发生拉伸破坏。而柱子则在剪切或弯矩作用下可分别产生剪切破坏和弯曲破坏,或在同一根柱子上同时出现剪切和弯曲组合破坏。     

基于pushover法的地铁车站柱墙剪力比研究

层间位移角作为一项重要的抗震性能指标,往往用于评估地上或地下结构在正常使用条件下的水平位移,从而确保结构应具备的刚度。然而,由于地下地铁车站结构埋置于土体之中,受到周围土层的约束,其在地震作用下的层间位移角量值小、不易控制与监测。鉴于此,文章以典型两层三跨地铁车站为研究对象,基于大型有限元程序ABAQUS建立了土 车站结构非线性相互作用分析模型,开展了pushover弹塑性推覆分析,得到了车站结构各构件的剪力—层间位移角全过程曲线,并在此基础上确定了构件的关键性能点及其阈值,研究了地铁车站结构不同性能状态下中柱和侧墙剪力分配规律。分析结果表明,地铁车站下层中柱首先进入破坏状态;下层中柱剪力先增加后减小,但相较于车站侧墙,中柱分配到的剪力比例一直下降。在此基础上,进一步提出了归一化的柱墙剪力比作为评价地铁车站抗震性能的力学指标,可有效弥补单一位移指标的不足。     

无柱加腋地铁车站土-结构模型振动台试验

以南宁地铁5号线金桥站为工程背景,根据模拟地震振动台试验的相似性理论,考虑地铁车站结构与土的材料性能、几何特性以及模型结构动力试验的相似关系等,设计制作了用于模拟地震振动台试验的无柱加腋地铁车站模型结构和试验用模型箱。选取El Centro地震波、Taft地震波和南宁人工地震波,同时考虑地铁车站结构上覆土厚度等参数的变化,进行了多种工况下的模拟地震振动台试验,研究了考虑地铁车站土-结构相互作用的无柱加腋地铁车站模型结构的地震响应特点和主要变化规律,分析了上覆土厚度对模型结构动力响应的影响,考察了结构抗震的薄弱部位和主要损伤区域。采用ABAQUS有限元软件建立考虑地铁车站土-结构相互作用的三维空间有限元模型,进行了相应工况下的模拟地震有限元时程分析,并与振动台试验结果进行了比较。结果表明:有限元模拟结果与振动台试验结果吻合较好,说明建立的有限元模型和分析方法可靠有效; 3种地震波下模型结构的主要地震响应特点基本相同,其加速度响应和位移响应都随输入峰值加速度的增大而增加; 上覆土厚度是影响车站模型结构加速度响应的重要因素,当上覆土厚度较薄时,车站模型结构的位移响应较大; 模型结构的侧墙与底板、中板连接的加腋处是开裂和损伤最严重的区域,侧墙裂缝呈竖向发展,并出现多道连续裂缝,应引起重视。     

地铁车站结构振动台试验及地震响应的三维数值模拟

利用FLAC3D对典型地铁车站结构振动台模型试验进行三维数值模拟,所建立的计算模型包括:(1)计算区范围与模型箱尺寸一致;(2)采用Davidenkov模型描述模型土的非线性变形特性,而结构模型采用弹性模型;(3)由于不考虑模型箱在振动过程中的变形,因此动力边界条件取为加速度边界;(4)地震荷载的输入与试验时地震波输入一致。计算结果包括模型土和车站结构的加速度响应规律、车站结构的动应变以及土–结构间的动土压力。计算结果与振动台试验结果吻合较好,说明采用的方法能较好地模拟模型土的动力特性,反映车站结构的动力响应及土与地铁车站结构间动力相互作用的规律。该研究工作能为建立典型软土地铁车站结构地震响应的三维计算方法提供基础。     

无柱大跨变截面地铁车站地震响应分析

以南宁某无柱大跨变截面地铁车站为工程背景,设计制作了合理相似比下的现浇无柱变截面地铁车站考虑土-结相互作用的振动台试验模型,选用El Centro地震波、Taft地震波和南宁人工地震波等,进行了多种工况下的模拟地震振动台试验,研究了考虑土-结相互作用时无柱大跨变截面地铁车站的抗震性能和抗震薄弱部位,总结了其地震响应的主要特点和一般规律。同时,还采用MIDAS/GTS有限元分析软件,建立了振动台试验模型的有限元分析模型,进行了考虑土-结相互作用时无柱大跨变截面地铁车站在多种地震响应下的有限元分析,探讨了这类结构在地震响应下的内力分布规律和地震响应特点,并与试验结果进行了对比。研究结果表明,不同加速度峰值地震波作用下,结构模型的加速度响应随着地震作用峰值加速度的增加而增大,且结构模型的应力响应随着地震作用强度的增大而增大。当同一加速度峰值地震波作用时,结构模型加速度响应为顶板大于中板大于底板,结构模型侧墙的相对位移响应随着结构模型高度的增大而增大。振动台试验中,结构模型裂缝主要集中在中板变截面和底板变截面与侧墙连接处,说明此处在地震作用时易发生震害,设计时应予以着重考虑。     

考虑双向地震作用的无柱地铁车站振动台试验研究

国内地铁车站一般采用有柱形式,目前尚无针对无柱地铁车站,考虑水平以及竖向地震作用下的抗震性能研究。以南宁地铁五号线金桥无柱地铁客运站为研究对象,开展多种工况下考虑土–结构相互作用以及水平和竖向地震作用下,无柱大跨地铁车站模型的地震振动台模拟试验,研究该类车站模型结构和周围土体地震响应的一般规律。试验结果表明:(1)模型地基加速度响应随着地震动幅值的增加而增大;在地基深处地震动主要以竖向Z方向加速度分量为主,在土层表面,则以横向X方向加速度分量起主导作用。(2)随着地震动幅值的增加,结构的基本频率呈现逐渐下降的趋势;在水平地震动作用下,水平方向测点加速度反应傅里叶谱在20～40 Hz高频成分逐渐增大,而低频成分逐渐被滤掉。(3)竖向地震动作用下无柱地铁模型结构中板变形较大,且双向地震作用下模型结构的加速度峰值均大于单向地震。(4)当地震动作用较大时,土与结构相互作用剧烈,底板与土体出现了脱离现象,模型结构底部的土压力出现了降低趋势。(5)在大震作用下,模型结构的破坏主要集中于顶板与侧墙交接处,且沿着加载方向出现了细微裂缝,车站顶板与侧墙连接处以及中板为该类车站结构薄弱位置,在设计中应对这些部位进行加强处理。(6)无柱地铁车站的中板应力增幅受双向地震作用下的影响较大,在加速度峰值为0.484 g的EL Centro波作用下,中板处的应力峰值为单向地震作用下的2.5倍左右;而加速度峰值可为单向地震作用下的1.4～1.5倍,故双向地震作用对无柱地铁车站的影响不可忽视。     

可液化场地地铁车站结构地震破坏特性振动台试验研究

模拟大震主、余震地震动作用,开展了石膏模型的三层三跨地铁地下车站结构地震破坏特性的振动台试验,测试与分析了可液化地基土的加速度、振动孔压、地表震陷和模型车站结构的加速度、水平向相对位移、应变、侧墙动土压力反应及其空间效应,再现了喷水冒砂、地表裂缝、震陷及模型车站结构上浮、构件裂缝及局部破损等宏观震害现象。研究结果表明：在主震作用时,地基土液化持续时间长、振动孔压消散趋势不明显,地基土的加速度放大效应降低,液化地基呈现出显著的减震与低频集中效应;余震作用时地基土振动孔压的消散较为明显;模型结构峰值加速度反应沿高度增大,侧墙动土压力反应沿高度呈中间小、两端大的分布模式;模型结构中柱的峰值应变反应最大,且中柱左右两侧的峰值应变与损伤程度沿高度呈S形分布;可液化地基土与模型车站结构的地震反应存在显著的空间效应现象。     

软土层埋深变化对地铁车站结构地震反应的影响规律研究

软土侧向大变形将是造成地铁车站结构严重震害的主要因素。为了明确软土层埋深对地铁车站结构地震反应的影响规律,对常见的两层三跨岛式地铁车站结构侧向和底部地基中存在不同埋深软土层时5种软场地和1个一般场地条件下地铁车站结构的地震反应进行了数值模拟分析。计算中采用自行建立的软土记忆型黏塑性动力本构模型模拟软土的动力非线性特性,混凝土的动力特性采用黏塑性动力损伤模型。给出了软土层不同埋深对地铁车站结构的加速度反应、侧向摆动位移反应和应力反应的影响规律,为提高软土地基上城市地铁车站结构的抗震性能及其抗震设计方法提供了依据。     

软土地铁车站地震响应数值计算方法的研究

对饱和软粘土采用粘弹塑性动力本构模型，利用拉格朗日差分法对典型软土地铁车站结构建立地铁车站地震响应的数值计算方法。并进一步利用该方法对软土地铁车站结构振动台模型试验进行数值拟合分析，结果表明土体和结构模型的加速度响应、结构模型表面的动土压力以及结构构件的应变规律的计算结果与试验结果基本吻合。     

地铁车站结构下穿地表建筑地震响应分析

基于ABAQUS软件建立了地表结构—土—下穿地铁车站结构大型三维有限元数值模型,数值分析了下穿地铁车站结构在不同类型地震波作用下的地震响应规律,并将下穿一体化地铁车站结构与下穿密贴地铁车站结构计算结果进行对比分析,探讨了下穿地铁车站结构的地震响应特性。结果表明:下穿密贴地铁车站结构的整体性相对较差,车站结构与上部结构出现了滑移现象,车站顶层层间相对水平位移较小,其余层的层间相对水平位移较大;下穿一体化地铁车站结构受力相对较大,各构件连接处及各层中柱依然是抗震设防的重要部位,建议下穿地铁车站中柱采用高强高延性的钢管混凝土柱或型钢混凝土组合柱;中远场地震波能够对中软土场地中下穿地铁车站结构的位移、加速度和内力等动力特性产生显著的影响。     

富水地层地铁明挖结构抗浮破坏模式研究

不同地层结构的抗浮设计存在很大区别,位于富水地层中的地铁车站,结构抗浮问题尤为突出。以厦门地铁典型车站为研究对象,采用室内模型试验与ABAQUS有限元模拟相结合的方法,研究地铁车站位于富水地层中的抗浮破坏模式,并提出抗浮措施。结果表明:富水地层中的地铁车站抗浮破坏模式为整体抗浮失效,由于车站侧壁摩阻力作用,结构并非突然浮起,而是整体上浮位移增长速率加快,破坏时板柱节点处的应变较底板其他部位偏大;上浮破坏时底板处孔隙水压力变化趋势与水体水压一致,由于渗流损失,底板处孔隙水压力需折减,折减系数约为0.79~0.85;抗浮设计时可考虑利用围护结构,改变渗流路径,增大水头折减。     

覆盖土层厚度对地铁车站结构地震响应的影响

基于有限元方法,运用ANSYS软件模拟计算在地震动荷载作用下,不同覆盖土层厚度时地铁车站结构各部位处的应力与位移响应,通过计算分析可知:在地震动作用下,地铁车站结构各部位处的应力与位移响应峰值在一定范围内均随着覆盖土层厚度的增加而增大,其中柱的顶部与底部处应力响应值相比其他部位较大,在震害中更容易发生破坏。     

Seismic responses of subway station with different distributions of soft soil in Tianjin

In connection with the practical project of Kunming Road station of Tianjin subway Line 3, the paper established a two-dimensional finite element model with visco-elastic boundary by using ANSYS and analyzed seismic responses of subway station with different distribution of soft soil. The nonlinear dynamic properties of soft soils are modeled by the KINH. And obtain the response rules about displacement and internal force on subway station in the general field soil and five different distributions of soft soil. Provide reference for improving the seismic performance of subway stations in Tianjin soft soil.     

两层三跨框架式地铁地下车站结构弹塑性工作状态与抗震性能水平研究

针对目前缺乏对现有地铁地下车站结构抗震性能水平的认识,根据相关规范的规定,设计了7种研究不同场地类别,并考虑输入地震动强度,分析了两层三跨框架式地铁地下车站结构的动力损伤特性及其抗震水平。结果表明,地铁地下车站结构的弹性和弹塑性工作性态层间位移角限值分别小于地面钢筋混凝土框架结构的对应值;同时,地铁地下车站结构从弹性极限工作状态到弹塑性极限工作状态所对应的层间位移角的差值也较小,说明其抗震延性明显比地面钢筋混凝土框架结构的要差。基于计算结果,分析了不同输入地震动强度下地下结构层间位移角、结构与土体的刚度比和输入峰值加速度之间的关系,建立了该类地铁地下车站结构层间位移角随地下结构与地基的刚度比和输入地震波峰值加速度变化的预测公式,以及该类地下车站结构层间位移角限值与抗震性能水平的一一对应关系,初步给出了该类地下车站结构基于层间位移角的抗震性能水平划分和物理描述。     

某地铁车站软土深基坑加固效果研究

采用水泥土搅拌加固软土深基坑土体是工程中常用的有效方法。本文采用有限差分软件FLAC3D建立某地铁车站深基坑的数值计算模型,并对未加固和加固两种设计方案进行了施工全过程数值模拟,对两种方案的土压力、地下连续墙水平位移以及邻近铁路路堤沉降的模拟计算结果进行了对比分析。结果表明:三轴水泥土搅拌桩对于软土深基坑加固效果显著,能够有效的减少围护结构的侧向位移和地表沉降;当周边环境对基坑变形有严格要求时,对土体进行加固,提高土体强度是十分有效的措施。     

深厚软弱土层地铁车站深基坑施工对既有建筑物影响分析

地铁车站深基坑施工常导致周边建筑物变形过大。基于现场监测数据，研究深厚软弱土层地铁车站深基坑施工对既有建筑物的影响，分析地下连续墙水平变形、土体水平位移和建筑物变形规律。结果表明，地下连续墙水平位移和土体深层水平位移变形曲线呈“鱼腹状”；端头井处墙体和土体水平位移大于标准段；地表变形曲线呈“漏斗状”；地下连续墙施工对建筑物竖向位移影响较小；距离基坑较近处，建筑物变形表现为沉降，距离基坑较远处，建筑物变形表现为隆起，既有建筑物主要表现为向基坑内侧倾斜。