地下结构抗震分析与设计的Pushover分析方法

在借鉴地上结构抗震分析的Pushover方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的Pushover分析方法.详细介绍该方法的实施步骤、基本功能与特点,给出适用于该方法的水平荷载分布形式与目标位移的确定方法.该方法能够反映土-结构之间的相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,得到地下结构的能力曲线;目标位移求解原理简单,根据目标位移可以得到结构的地震反应,进而可以对结构在地震作用下的变形与内力进行评估;计算得到的结构能力曲线与地震波的选取关系不大,计算结果具有较好的模拟精度,从而避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析.结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构Pushover分析方法的可靠性与良好的模拟精度,可以用于地下结构的抗震分析与设计中.     

地下结构抗震设计中的静力弹塑性分析方法

首先介绍目前地下结构抗震分析方法存在的主要问题,在借鉴地上结构静力弹塑性分析方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的静力弹塑性方法。详细介绍该方法的实施步骤与特点,给出水平等效惯性加速度的求解方法。该方法概念清晰、操作简单,能够在不需要计算相互作用系数的情况下较好地模拟土-结构之间的动力相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,给出地下结构在输入地震波作用下的峰值变形与内力,避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析。结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构静力弹塑性分析方法的可靠性及良好的模拟精度,可以应用于地下结构的抗震分析与设计中。     

Seismic design and analysis of underground structures

Underground facilities are an integral part of the infrastructure of modern society and are used for a wide range of applications, including subways and railways, highways, material storage, and sewage and water transport. Underground facilities built in areas subject to earthquake activity must withstand both seismic and static loading. Historically, underground facilities have experienced a lower rate of damage than surface structures. Nevertheless, some underground structures have experienced significant damage in recent large earthquakes, including the 1995 Kobe, Japan earthquake, the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake and the 1999 Kocaeli, Turkey earthquake. This report presents a summary of the current state of seismic analysis and design for underground structures. This report describes approaches used by engineers in quantifying the seismic effect on an underground structure. Deterministic and probabilistic seismic hazard analysis approaches are reviewed. The development of appropriate ground motion parameters, including peak accelerations and velocities, target response spectra, and ground motion time histories, is briefly described. In general, seismic design loads for underground structures are characterized in terms of the deformations and strains imposed on the structure by the surrounding ground, often due to the interaction between the two. In contrast, surface structures are designed for the inertial forces caused by ground accelerations. The simplest approach is to ignore the interaction of the underground structure with the surrounding ground. The free-field ground deformations due to a seismic event are estimated, and the underground structure is designed to accommodate these deformations. This approach is satisfactory when low levels of shaking are anticipated or the underground facility is in a stiff medium such as rock. Other approaches that account for the interaction between the structural supports and the surrounding ground are then described. In the pseudo-static analysis approach, the ground deformations are imposed as a static load and the soil-structure interaction does not include dynamic or wave propagation effects. In the dynamic analysis approach, a dynamic soil structure interaction is conducted using numerical analysis tools such as finite element or finite difference methods. The report discusses special design issues, including the design of tunnel segment joints and joints between tunnels and portal structures. Examples of seismic design used for underground structures are included in an appendix at the end of the report.     

非圆形洞室应力监测反馈分析的复变函数方法

在地下工程设计中，横截面上二维初始应力场是地下洞室稳定性分析的重要依据，必须首先需要解决的问题之一。初始应力场一般通过现场试验来测定，但费工费时而且往往很难得到理想效果。在洞室开挖时，利用现场监测资料进行反馈计算能得到较理想的初始应力场。20世纪80年代后提出了多种位移反分析方法，用少数的实测数据分析洞室稳定性，获得较为满意的结果，已得到广泛应用。但应力监测的反馈分析仍鲜为人知。采用穆斯海里什维里弹性平面问题的复变函数解法的基本原理，对非圆形地下洞室应力反馈分析进行了探讨，相应地推导了一系列公式。对映射函数的推求采用实际边界上几个控制点的限定方法，简捷又方便。     

Aseismic design of underground structures

This study defines the basis for the aseismic design of subsurface excavations and underground structures. It includes a definition of the seismic environment and earthquake hazard, and a review of the analytical and empirical tools that are available to the designer concerned with the performance of underground structures subjected to seismic loads. Particular attention is devoted to development of simplified models that appear to be applicable in many practical cases.     

浅埋地下结构地震反应分析的惯性力–位移法

现有的地下结构地震反应简化分析方法,如:地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和Pushover分析方法等,均没有考虑上覆回填堆积土体或地震中因剪切破坏失效后的上覆堆积土体在竖向地震作用下产生的惯性力效应。已有研究表明,这种上覆土体竖向惯性力效应对浅埋地下结构支撑构件的抗震性能(抗剪强度和极限变形)有重要影响,是评价浅埋地下结构抗震安全性的关键因素之一,不能忽视。为此,针对浅埋地下结构地震反应分析问题,提出了一种考虑上覆土体竖向惯性力影响的反应位移法,简称惯性力–位移法。给出了惯性力–位移法分析模型的两个关键参数确定方法,包括地基弹簧刚度及上覆土体最大竖向惯性力。工程实例分析结果表明,建议的惯性力–位移法与传统的反应位移法相比,不仅克服了传统的反应位移法不能给出中柱轴力的缺陷外,其它反应量的计算精度与之基本相当。     

岩土工程反分析的初步探讨

介绍了岩土工程反分析的定义、特点及本质,重点讨论了位移反分析的概念、分类、发展现状,指出了反分析存在的一些问题及未来的主要发展方向。     

岩体材料参数反分析的有限元方法研究

本文主要研究讨论了工程反分析和岩土工程中关于求解材料力学参数的方法,在岩土工程中称为反分析法。一般来说,反分析问题比正分析问题要困难得多。经验表明,有限元法是反分析的有力工具。反分析目前有多种方法,本文着重讲述了逆反分析法。     

基于收敛-约束原理的地下结构稳定性分析

基于Hoek-Brown岩体失效准则,根据开挖空间围岩变形压力与收敛的关系,导出了圆形隧道围岩荷载计算公式,然后利用隧道非规则断面等价圆算法,将其拓展成任意断面隧道围岩荷载确定方法。在分别建立起锚杆、喷射混凝土及钢拱架等支护单元特征函数的基础上,基于并联模型导出了锚喷组合支护结构刚度、抗力计算公式。根据开挖面的空间效应建议了支护特征曲线起点确定方法。利用上述成果,结合收敛-约束原理构建了支护结构稳定性系数计算方法,克服了基于岩体分级类比的地下结构支护设计方法不能定量评价其安全程度的缺陷。通过案例分析,示范了所构建方法的操作和运行过程,并初步验证了其有效性。     

地下结构动土压力简化计算方法研究

基于波动力学理论,考虑土–结构动力相互作用、土介质特性及地震波的传播特性,提出了地震作用下地下结构的动土压力简化抗震设计方法。首先,将土–地下结构体系简化为单自由度的质量–弹簧–阻尼体系。其次,通过建立该体系的波动方程,并进行求解,将自由场响应换算为作用在结构上一点的动土压力,并结合结构周围土体的自由场响应分布特征,可得整个结构上的动土压力分布。最后,以振动台试验结果为基础进行了简化方法的验证,得出本文提出方法能够与试验结果吻合很好。该方法具有概念明确、计算简便、计算效率和精度高等特点,能够求解各类地下结构的地震反应,为地下结构的抗震设计提供了一种简单、实用的工具。     

克里格法在岩土工程勘察和地基处理与基础设计中的应用

根据勘探钻孔获得的岩土层工程地质性质及分布赋存状况绘制的工程地质剖面图,具有相当大的人为随意性,由此会导致地基处理和基础设计的某种盲目性。建筑场地勘探点布置一般成比较标准的正交网格状分布,这正是克里格法对样品点分布与插值估计点分布的基本要求。克里格法可以给出直观的图形定性结果,例如某目的岩土层的三维块体图;同时,也能够给出理论分析定量结果,即相应目的层的试验变异函数曲线及其理论拟合曲线、理论变异函数模型及其各相关参数。因此,可使单纯依据勘探钻孔获得的定性成果进化为科学的定量成果,保证科学优化设计、精确预算、合理施工。目前还只能将克里格法作为岩土工程勘察成果分析的一种辅助手段,采用该方法可减少或避免随意性与盲目性,检验岩土工程勘察成果,从地基处理和基础设计角度看,为确保建筑物的安全和纠正工程造价预算偏差,该方法可为岩土工程勘察规范制定提供参考依据。     

不同规范中地下结构地震反应分析的反应位移法对比研究

反应位移法是一种实用的地下结构抗震反应分析方法,该方法计算步骤相对简便,具有较好的分析精度,在地下结构抗震设计计算中得到广泛使用,已被包括《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909-2014)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)等多部规范所采用。但是由于该方法在理论推导上的不同,以及不同研究者理解上的不一致,导致现行不同规范的计算模型和荷载输入存在差别。文中给出反应位移法的推导过程,分析反应位移法中各项荷载的合理形式和意义,对现行不同规范中反应位移法的计算模型作出明确判断,通过与动力时程计算结果的对比分析表明：反应位移法中地震作用的输入通过结构周边自由场应力实现,忽略部分周边自由场应力的计算模型是不合理的。     

饱和软土场地中地下结构非线性地震响应分析的一个FEM-IBEM耦合方法

基于Biot孔隙介质理论,提出了饱和软土场地中地下结构非线性地震响应分析的一个有限元–间接边界元(FEM-IBEM)耦合方法。方法考虑了饱和土骨架与孔隙水的动力耦合作用及饱和土–结构动力相互作用,并通过等效线性化方法考虑土体的非线性。该耦合方法的特点之一是有限元子域和间接边界元子域相互独立,非常适合并行计算,提高计算效率;特点之二是能够同时考虑有限元子域(近场)和间接边界元子域(远场)的土体非线性。通过与文献结果对比,验证了FEM–IBEM耦合方法的正确性和计算精度。以天津滨海地区一典型深厚饱和软土场地中两层双跨地铁车站为例,计算了地铁车站结构的地震内力和变形,并比较了饱和土体线性和非线性情况下地铁车站地震响应的差别,和饱和土体模型和单相土体模型情况下地铁车站地震响应的差别。研究表明:土体非线性对地铁车站结构的地震内力和变形具有显著影响;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对地铁车站结构地震内力和变形也有明显影响。     

Construction of underground structures by the diaphragm-wall method

Conclusions 1. When solving problems of the introduction and improvement of the method of constructing underground structures it is necessary to examine and take into account organizational, engineering-geologic, and economic problems (the walls of buried rooms with the use of the diaphragm-wall method are simultaneously a retaining structure, which reduces the consumption of metal, and in the case of a high groundwater level, a grout curtain, which reduces the cost of groundwater lowering considerably).2. The organizations of Glavspetsprostroi of the USSR Ministry of Specialized Construction and Installation must develop, with the participation of the Scientific-Research Institute of Bases and Underground Structures, the technology of constructing holes for anchors by means of drilling rigs and pneumatic punches, since such a method accelerates construction and reduces the noise from the operation of the punches, which is especially important in densely built-up areas of cities.3. During 1975 the hydraulic equipment plant must manufacture 12–14 clamshells, including the mastering of the production of new clamshells with a width of 400 and 800 mm.4. It is necessary to carry out experimental works to determine the bearing capacity of anchors and to develop a method of their calculation.Main Administration for Special Types of Construction and Installation. Translated from Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, No. 3, pp. 7–9, May–June, 1975.     

地下框架结构抗震性能评价方法的研究

目前关于地下结构地震响应的分析大多是计算给定的地下结构在给定地震动下的动力响应,而该结构在该动力响应下是否已破坏则不得而知,这就需进行地下结构抗震性能评价方法的研究。首先总结了目前国内外在地下框架结构破坏评价方法方面的研究,在此基础上,结合《建筑抗震设计规范》,提出了新的评价方法：基于层间位移角的构件变形能力评价和基于有效应力值的构件强度评价。然后,以地铁车站及地下人防工程等地下框架结构为例,建立其三维分析模型,计算其三维地震响应,主要包括结构的水平横向相对位移和结构受力,对地下框架结构抗震性能进行评价。分析表明：所提出的评价方法能初步应用于地下框架结构的抗震性能评价,但仍需进一步完善。研究成果和思路可为《建筑抗震设计规范》中地下建筑结构部分的补充和完善提供有益的帮助。     

钢框架的高等分析与设计

针对现行钢结构设计方法的缺陷与不足,强调了钢结构进行高等分析与设计的重要性,从结构整体稳定的角度,基于改进塑性铰方法,讨论了计算单元、初始缺陷的引入、节点连接刚度及构件的塑性设计、结构的二阶分析等钢结构高等分析的基本要点,并对现行的极限状态分项系数法和改进塑性铰分析方法进行了比较。典型算例结果表明,采用的方法和NIDA-NAF程序可以准确考虑各种缺陷和设计参数对钢结构稳定承载力的影响,钢结构高等分析设计是现代钢结构设计发展的方向。     

Geomechanics in analysis and design of shallow underground structures (characteristics and problems)

The inclusion, in the journal "Soil Mechanics and Foundation Engineering," of the section "Underground Structures" reflects the interest of the engineering circles in the problems of design and development of projects in the underground space. In the section, material is published on construction of underground structures in the industrial, transport, energy, and other fields. Taking into account the traditional profile of the Journal and the professional interests of the greater mass of its readers, it is proposed to devote maximum attention in the future to material relating to geotechnical problems that arise during construction of shallow structures in the underground space of cities and industrial installations.The complex and multilevel nature of the technical problem of effective and ecologically sound development of the underground space calls for participation of specialists working in different fields of the applied and fundamental sciences. Hence, we will welcome proposals for new architectural-planning solutions for underground structures, methods for their reconstruction and engineering protection, and solutions of engineering-geologic, ecologic, and other problems relating to underground construction. One of the most important places in this connection should be assigned to geomechanical problems, whose correct formulation and solution is determined by reliable analysis and design of the underground structures as well as of the overground structures that interact with them. The opening article of this section is devoted to the characteristics of such problems.Translated from Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, No. 3, pp. 24–27, May–June, 1992.     

地下结构抗浮计算方法试验研究

通过对砂土和粘土的试验,研究了无渗流条件下地下结构浮力的计算方法.试验表明,不论是砂土地基还是粘土地基,水位升高时,浮力增长的大小应按全水头计算而无需折减;并且与地基土的孔隙率无关.     

房屋建筑结构设计中优化技术的应用分析

简要的介绍了建筑结构设计优化这个模式的背景以及现状,通过对房屋建筑结构设计中优化技术的应用深入分析和探讨,相应的提出了一些建议,目的在于增强房屋建筑行业的整体水平及优化功能,从而达到节省建筑成本的目的。