邻近地面建筑一体化地铁车站结构地震响应分析

为了研究邻近地面建筑一体化地铁车站结构地震响应特性,基于ABAQUS软件建立了地铁地下车站-土-邻近地面建筑一体化结构大型三维有限元数值模型,利用典型的近、远场地震动记录,计算分析了邻近地面建筑一体化地铁车站结构的地震响应规律及空间效应.结果表明,邻近地面建筑一体化结构兼备地铁地下车站结构和地上结构2种结构特性,原有单体结构的动力特性和反应发生了改变;邻近地面建筑一体化结构受地震波频谱特性的影响显著,其中,体系基频附近能量分布相对集中的地震波能够对一体化地铁车站结构的地震响应产生显著的影响;邻近地面建筑一体化地铁车站结构具有明显的空间效应,应该按照空间问题进行一体化地铁车站结构的抗震计算;受地面建筑的影响,一体化地铁车站中柱出现了扭矩,在进行一体化车站结构中柱抗震设计时,应考虑轴力、剪力、弯矩和扭矩的共同作用.研究成果对该类结构的抗震设计与分析具有一定的参考意义.     

地铁车站结构的地震能量反应

将地基土-地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用Davidenkov动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,研究了中远场地震动和近断层地震动作用下地铁车站结构的能量反应特征.结果表明,地铁车站结构的阻尼耗能和滞回耗能随地震动作用时间单调增加,输入地震动特性对地铁车站结构的能量反应特征有显著影响;中柱的滞回耗能分布沿结构层间自下向上依次减少;侧墙的滞回耗能主要分布在顶层和底层;梁板的滞回耗能分布较为均匀,但顶板的耗能相对较多;中柱的滞回能量耗散最为集中,在地铁车站结构的抗震设计中应加强中柱的抗震措施.     

地铁地下车站结构的地震反应特性研究

通过Davidenkov动力本构模型模拟土体、动塑性损伤模型模拟混凝土的动力特性,建立土-地铁地下车站相互作用的二维有限元分析模型,研究地铁车站结构的地震损伤演化规律和能量反应特性,结果表明:地震动特性对地铁车站结构的能量反应特征有明显影响,地铁车站结构的阻尼耗能和滞回耗能逐步增加;通过滞回耗能密度衡量各构件滞回能量耗散的集中效应,发现中柱的滞回能量最为集中,说明地震动作用下中柱的动力反应最大;通过对地铁车站结构的地震损伤过程研究,发现局部和整体损伤指数时程变化规律一致,在变形累积效应下表现出递增特性.     

考虑地震动空间非一致性的地铁车站结构三维数值模拟

介绍了实现非一致地震动作用采用的等效人工边界单元和等效荷载法,采用自由场模型验证输入的正确性.以某在建地铁车站为背景,建立了三维地铁车站模型,计算了不同频谱地震波在一致与非一致波动入射工况下地铁车站的地震动反应,分析了该地铁车站在非一致地震动作用下的反应特性.总结了非一致地震动作用对车站结构反应的影响,分析了不利位置地震动内力反应,得出长跨度地铁车站有必要考虑地震动非一致因素影响作用的结论并提出抗震建议.     

埋深对可液化场地地铁车站地震响应的影响

为分析埋深对可液化场地地铁车站结构的地震动响应影响规律,在OpenSees开源程序平台和Biot动力固结理论基础上,采用修正的多屈服面塑性砂土动力本构模型,同时考虑结构动力非线性的纤维截面单元,建立饱和砂土场地-地铁车站结构相互作用数值计算模型,并分析了在地铁车站不同埋深情况下,场地的加速度反应谱及结构变形和内力的动力响应.分析结果表明,随着车站结构埋深的减小,场地特征点处加速度β反应谱峰值变大,且各埋深工况均呈现出明显的场地放大效应;随着车站结构埋深的增加,各关键截面动内力峰值变大,而对应的层间位移角极值和结构上浮量均呈现减小趋势,其中中柱上端部截面受埋深影响程度最为显著.     

基于IDA方法的地铁车站结构抗震性能评价

针对目前大型地下结构抗震性能评价尚不完善,提出了一种基于非线性增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)的多层多跨地下结构横断面地震易损性分析的方法.选用典型三层三跨地铁车站建立土-结构二维整体分析有限元模型,采取等效线性化模型模拟土体在地震作用下的剪切模量退化和阻尼增加特性,纤维梁单元模拟多层地下结构在地震作用下的滞回特性.基于PEER强震记录数据库的21条地表地震动峰值加速度中位值,将其统一调幅到不同强度水平,作为非线性IDA的输入地震动.根据IDA结果的统计分析,对于浅埋多层地下结构而言,地表峰值加速度和峰值速度是有效且合适的地震动强度指标,可以用来构建地下结构的易损性曲线.通过与现有的矩形地下结构经验地震易损性曲线和数值地震易损性曲线比较,验证了数值模拟得到的地震易损性曲线的有效性,可以作为快速评价地下结构抗震性能的有效工具.     

上盘效应对工程结构位移反应影响分析

在断层附近的一定区域内,受到上盘效应等因素影响的地震动将显著改变结构的动力响应.针对上盘效应及与其相对的下盘效应对结构弹性及非弹性位移反应的影响进行研究.结果表明,上盘效应对(结构绝对位移的增大作用)在短周期段显著,下盘效应的增大作用在长周期段显著.尽管上盘地震动加速度峰值普遍较大,但其相对非弹性位移仅在长周期段大于下盘地震动,在短周期及中等周期段均较下盘地震动小.与远场地震动相比,在某些情况下受上盘和下盘效应影响的地震动将引起大的结构相对非弹性位移,因此将现有经远场地震动得出的相对非弹性位移关系用于近场区结构的性能评估会得到不安全的结果.     

连体并行地铁车站结构地震响应分析

基于ABAQUS软件建立了大开洞连体并行地铁地下车站结构的三维有限元数值模型,考虑近远场地震波的频谱特性、混凝土塑性变形及损伤的影响,数值模拟了不同地震类型作用下,连体并行地铁车站结构非线性地震反应特性的差异.结果表明:地震波的频谱特性对连体并行地铁车站结构的动力响应及损伤有很大影响,地震波主频率与结构自振频率越接近,结构损伤越严重;连体并行地铁车站结构拉、压损伤分布呈左右对称,开洞侧墙的顶部和底部、洞口两侧45°扇形范围内结构的楼板及中柱损伤最为严重;连体并行地铁车站结构侧墙开洞比例小于1/3时,开洞层的位移变化率最大,具有显著的空间效应,应当按空间问题进行地震反应分析,当侧墙开洞比例大于2/3时,开洞层的位移变化率不变,可近似按平面应变问题处理.研究成果对提高该类地铁车站结构的抗震性能提供了合理的参考与指导.     

不同土性地基中地震波传递的振动台模型试验研究

通过对地基土质从软到硬的三个阶段结构———地基动力相互作用体系振动台模型试验所取得数据的对比分析,讨论了不同土性地基对地震波传递的影响.表明地基土层对地震动的影响与场地土特性、地震动大小等有关,不一定是放大作用,也可能起滤波和隔震作用.     

竖向地震动对软土地铁隧道地震响应影响分析

为了研究地震动的竖向分量对地下结构的动力响应影响,针对某一软弱土层地铁区间隧道工程,进行非线性地震反应分析.计算模型中引入了土体的非线性本构模型,模拟土在循环荷载作用下的动力特性,隧道衬砌采用混凝土动力损伤塑性模型,模型边界设置为粘弹性人工边界,分别在模型底部施加水平向和双向地震动,进行地震反应分析,得到了地铁隧道的一些地震反应规律.结果表明;地震波的竖向分量对隧道顶底部的水平相对位移、隧道结构的动应力和隧道底部的竖向加速度均有较大的影响.因此,在工程设计中竖向地震动的影响不容忽视.     

自由场地液化响应特性的离心机振动台试验

利用ZJU-400土工离心机振动台,对相对密度为40%的福建中细砂自由场地模型,进行5次动态加载的液化试验.分析试验中土的动力特性和地震动特性,得到土体不同深度范围内加速度、超静孔隙水压力随时间的发展规律,以及土体加速度、沉降与超静孔隙水压力增长之间的关系,增强了对地震过程中土体加速度、沉降与孔隙水之间相互作用的理解.结果表明：场地放大作用受超静孔隙水压力增长和土体软化的共同作用,液化破坏了土颗粒的联结强度和结构稳定性,再次沉积形成的结构不稳定易再次液化|峰值过后切应力对超静孔隙水压力增长仍起到不可忽视的作用;土体超静孔隙水压力增长和土体沉降是外荷由土颗粒到孔隙水再到土颗粒传递的结果|液化后固结完成,场地土体自振频率增加;基于剪切波速确定CRR曲线的方法是合理的.     

基于设计地震动的地震波斜入射波动输入研究

为建立反映地表非一致性运动的地震动场、建立斜入射地震波与设计地震动之间的联系,将地表设计地震动分量看作斜入射的SV波和P波的叠加,根据固体介质中波的传播理论推导了斜入射SV波和P波时程与设计地震动分量的关系,结合粘弹性人工边界,得到了反映设计地震动的地震波斜入射条件下的解析方式,以此为基础建立了时域计算分析模型.半空间算例验证了该方法具有较好的精度,地表面各点的运动具有非一致特征.为计算大跨度结构非均匀地震动输入情况下的动力响应提供了一种有效的方法.     

动态子结构法在凸起地形地震动响应中的应用

为研究山地地形对地震动放大效应的影响,满足实际工程中山地建筑地震动设计的需要,以单峰凸起地形为例,引入动态子结构法,计算地形坡角在30～60°,凸起高度20～80 m和平台段宽度50～600 m共60个不同尺寸岩质凸起地形在地震动输入下的响应,得到不同尺寸凸起地形下模型各点加速度和频谱特性变化规律.结果表明:与传统有限元分析方法相比,动态子结构法在保证计算精度的同时,能很大程度提高计算效率;凸起地形对地震动放大效应影响较大,坡脚到坡顶地震动响应不断增大,坡顶平台中点放大效应最为明显;随地形坡角和坡高增加,地形对地震动的放大效应呈增大趋势;坡角和坡高一定时,随地形宽度增加,地形凸起高度较小时,地震放大效应呈增大趋势,反之凸起高度较大时,地震放大效应呈降低趋势;地形凸起尺寸的增加会激发高频段反应的加剧,同时降低低频段反应峰值.     

方向性脉冲型地震动对沉管隧道动力响应分析

为揭示地震动的脉冲效应对沉管隧道动力响应的影响,参考广州佛山沉管隧道建立了一个双向四车道沉管隧道动力分析有限元模型。动力有限元模型中引入了土体的非线性动力本构模型,通过在模型底部水平向输入地震动,对比分析了40组具有方向性效应脉冲型地震动(FD)及相应剔除速度脉冲后的无脉冲地震动(NP)作用下沉管隧道的地震响应。研究结果表明:(1)FD地震动相对于NP地震动对沉管隧道的响应更大(位移、加速度及应力);(2)随着地震动峰值速度(PGV)的增大,结构的响应也都呈现出增大的趋势,同时峰值速度影响系数R较大时,相对应的结构响应脉冲影响系数K也大,说明具有速度脉冲的地震动对结构的响应更大;(3)随着脉冲周期T_p的增大,结构响应的脉冲影响系数K都是先增后减,并且脉冲周期在结构第一自振周期附近区间时,结构响应都较大,说明脉冲型地震动的脉冲周期对沉管隧道的地震响应也有显著影响。     

海陆地震动的时频域工程特性对比

海洋工程抗震几乎还沿用陆上土木工程的规范和成果,为了指出在海洋工程抗震设计和安全评估中使用海底地震动的重要性,选取多个地震事件,关注同一地震下震中距相似的海陆地震动记录.对比分析了传统地震动三要素,并且考虑到地震动属于非平稳信号,利用希尔伯特-黄谱分析了海陆地震动的能量在时频分布上的差异.结果表明:海底水平地震动加速度峰值比陆地的大很多,总体上其持时也较长,同时其加速度反应谱向中低频偏移,这些特征会对海洋结构动力响应造成更不利的影响;对于时频谱,海底地震动的主要能量所对应的频率比陆地的低,而其最大能量所对应的频率更接近峰-谷频率,而不是傅里叶谱上的卓越频率.     

液化场地桩基加速度反应试验与数值模拟

为研究液化场地桥梁桩基加速度反应特性,采用自编的土-结地震相互作用有限元分析程序,输入三种试验记录工况,进行可液化场地桥梁桩基地震反应振动台试验与数值模拟.结果表明:三种地震输入下,自下而上沿桩-柱墩长度方向,加速度峰值放大系数变化基本一致且均出现在10～20s时段内,加速度时程曲线的形状也极其相似;压缩0.15g El Centro波输入下加速度反应在砂土层与黏土层过渡带有增大趋势、在地表则有一定程度减小,且压缩0.15g El Centro波较0.15g El Centro波输入下均偏小,0.15g El Cen-tro波输入下自下而上桩的加速度时程幅值和峰值放大系数的试验值、计算值均一直有较大幅度增大;0.5g El Centro波输入下,加速度时程幅值的计算值和试验值在桩折断位置之下一直增大、至砂土层与黏土层过渡带则大大减小,加速度峰值放大系数的试验值和计算值在砂土层与黏土层过渡带突变增大、而在地表则明显减小,且较0.15g El Centro波输入下桩的峰值放大系数要偏小.     

可液化土层对地下结构地震影响的振动台试验

针对目前地铁区间隧道建设中常见的单层双跨断面形式结构,开展结构整体位于可液化土层、结构底部存在可液化土层、结构位于非液化土层3组振动台试验,分析地基土加速度、孔隙水压力和结构位移之间的关系. 结果表明,地基土加速度放大系数沿埋深受地震动、地震动峰值、场地的影响展现出不同的变化规律;紧邻结构两侧位置处土体不易液化;结构底部0~45度范围内土体容易液化;液化程度最严重区域分布在结构水平两侧一定距离处和结构底部两侧位置;超孔压比数值分布大小同地震波自身Arias强度有很好的对应关系.     

装配式轻钢框架-轻钢桁架结构振动台试验研究

为研究装配式轻钢框架-轻钢桁架结构的抗震性能及桁架式"L"形柱的震坏机理,进行了一座两层房屋的足尺模型振动台试验.对模型进行42个工况的地震波输入,运用模态分析理论识别了模型结构的动力特性,分析了加速度响应、位移响应和应变响应的变化规律.研究表明:在地震波加速度峰值从0.07g逐渐增大到0.9g的过程中,结构自振频率逐步下降;加速度放大系数逐渐降低;最大层间位移出现在首层,在8度基本地震动和8度罕遇地震动时的最大层间位移角分别为1/268和1/164,低于多层钢结构的弹性层间位移角限值和弹塑性层间位移角限值;结构能满足"两阶段、三水准"的抗震设防要求.模型中的桁架式"L"形柱在8度基本地震动时处于弹性状态,在8度罕遇地震动时有部分桁架节点处焊缝开裂并进入塑性状态,在9度罕遇地震动时结构塑性变形加大但仍有一定安全储备,在9度极罕遇地震动时刚度严重退化.结构在经历了渐进的塑性变形过程后,仍保持一定的承载能力,具有较好的延性,可在高设防烈度地区应用.     

抗震反应谱场地放大系数的研究

通过对美国西部715条水平强震观测数据分析,按照场地条件、震级、震中距3个因素分组,以Ⅱ类场地峰值加速度PGA作为地震动强度,取有效峰值加速度EPA(阻尼比为5％时,0.1～0.5s范围内加速度反应谱平均值除以2.5)作为计算标准,统计得出场地放大系数.结果表明,在同一地震强度下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ场地的场地放大系数依次增大;在同一场地条件下,场地放大系数随着地震动强度的增大呈减小的趋势.在统计结果基础之上,提出了适用于我国抗震规范的场地放大系数建议值及其应用方法,可供GB 50011-2010抗震规范修订时参考.