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地铁车站地震破坏机理及密贴组合结构的地震响应研究

张波  
【摘要】:随着轨道交通的发展和地铁施工技术的日臻成熟,车站和区间隧道断面形式逐渐演化,换乘车站逐渐增多,车站的空间交叉现象愈来愈普遍。地铁结构形式的多样化及空间结构组合的普遍性是未来地铁发展的必然趋势。对于地铁换乘站或交通枢纽,车站-车站、车站-区间隧道相互空间交叉,再加上其间的连接通道,构成了错综复杂、相互影响的地下空间结构体。地震作用下,由于在交叉、连接等部位的地基位移分布不同,较一般地下结构更易产生较大变形和附加内力;此外,地震波在结构上引起的横向剪切变形,会导致连带结构处于纵向拉压或弯曲的复杂应力状态,即整个地下立体式交叉结构在地震作用下的变形受力状态更加复杂,且相互作用更加显著。 本文依托国家973课题―城市地下基础设施的地震破坏与抗震理论(2007CB714203)‖和北京市自然科学基金重点项目―地铁车站立体交叉结构地震响应及抗震设计方法研究(8111001)‖,根据北京地区地质条件、地铁车站结构形式、车站-隧道典型组合形式等特点,主要从地震作用下地铁车站典型结构的破坏机理、破坏模式和车站-隧道不同组合条件下的地震响应等两个方面进行了相关的分析与研究,具体的研究内容和研究成果如下: 以土体电镜扫描为研究对象,把数字图像处理技术引入土体的细观结构观察和定量分析中,求解土颗粒孔隙度、颗粒粒径及颗粒形状等细观颗粒组成参数,为建立颗粒流离散元细观模型提供物理参数。在基础上,对土样的三轴试验进行模拟,并研究细观力学参数(包括:摩擦系数、平行连接强度及刚度比)对宏观性质的影响。 建立基于典型地铁车站结构大型振动台试验的有限差分-颗粒流离散元耦合模型,对车站结构模型在地震中的地震响应和破坏现象进行模拟分析。在耦合计算模型中,土体采用连续模型、结构采用颗粒流离散元模型模拟,在FLAC边界节点处建立接触面,将FLAC在大应变模式计算的位移通过接触面传输给颗粒流离散元;并将颗粒与接触面计算的相互作用力传输给FLAC,作为施加在各节点上的力,从而实现耦合运算。结果表明,数值模型的计算结果与试验结果能够较好的拟合;地震加载过程中,柱板、墙板节点为地铁车站模型结构的薄弱部位;模型的整个破坏过程和能量转化过程可分为3个阶段;结构的破坏过程可以通过颗粒孔隙率、配位数和接触力的变化以及能量的转化规律反映出来。 设计并开展地铁车站-隧道不同密贴组合结构的振动台试验,建立以覆土厚度为主要控制因素的相似关系处理方法,对不同的组合结构形式输入不同的地震作用,主要研究:自由场振动特性和模型振动前后的动力性质变化以及物性演变过程;单层连拱形地铁结构的地震受力和变形特征以及土-结构相互作用的土压力和位移变化规律;并行隧道结构的地震受力和相互影响规律;地铁车站及隧道结构在不同空间组合形式下的地震响应影响规律。 基于试验结果和建立在振动台试验基础上的FLAC模型模拟分析得到以下规律:模型在振动激励下,土体的自振频率不断降低,阻尼比增加。模型箱的顶部反应位移大于底部,反应加速度则底部大于顶部。模型箱的边界吸波效果良好,且土体具有明显的滤波性质;结构的存在对上部土体的反应加速度具有减弱作用;结构与土的相互作用较为明显,且与埋深,结构尺寸等呈现不同的分布规律;结构墙柱应变大于梁板,节点处应力集中;车站倾斜放置时,结构-土相互作用力受竖向土压力控制;相对于单体车站,结构的应变幅值由墙柱向顶板转移,且分布趋于平均分布;并行隧道结构的存在加剧了对土体剪切波的反射和集中,对单体隧道的反应加速度、动土压力、动应变幅值等均具有放大效应;底部隧道结构的存在对传来的地震波具有吸收作用,使得上部车站的地震响应减弱,且减弱幅度随夹层土体厚度的增加而减小。


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