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地下结构地震破坏机理研究

孙海峰  
【摘要】:为了解决车辆的增多,城市交通拥挤等一系列问题,各地开始大规模的进行地铁建设。大规模的地铁建设使地铁抗震问题成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要课题。地下结构一旦发生震害,修复困难、代价昂贵,也将对其周围的结构造成不利的影响。而我国已建成地铁和有地铁规划的城市中有很多地区处于地震高发地带,因此,必须对地下结构的地震响应规律和地下结构破坏机理进行研究,以指导地下结构抗震设计和抗震安全性能评估。本文在总结国内外有关地下结构地震反应研究的基础上,为探索地下结构地震破坏机理做了如下工作: 1.振动台三维叠层剪切箱的研制 在总结国内外研制叠层剪切箱的基础上,首次设计并制作了国内最大的刚度可调的可用于进行大型三维模拟振动台试验的三维叠层剪切模型箱。通过在地震模拟振动台的实际测试和检验,验证了该剪切箱可使地下结构大型模拟振动台试验较好地模拟半无限域中地下结构地震反应。 2.粘土层中地下结构大型模拟振动台试验 利用已研制的三维叠层剪切模型箱完成了一系列不同土层、不同工况的地下结构大型模拟振动台试验。对试验的宏观现象及选取的二次典型试验的数据详细分析,初步揭示了不含砂层土体中地下结构的震害机理与破坏模式。在地震荷载作用下,不同深度土体的剪切变形差使地下结构发生的层间相对位移是导致地下结构破坏的主要原因。地下结构震害以柱顶及顶板和楼板与侧墙的节点处破坏为主,并且破坏程度随埋深的减小而增大。 3.可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验 完成了可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验。通过对比可液化砂土层中和粘土层中地下结构振动台试验中加速度数据放大系数可以发现:相同峰值地震动输入时,相同埋深处的粘土层中地下结构加速度放大系数大于砂土层中地下结构加速度放大系数,这说明砂土液化对地下结构有减震作用。从试验后检验也可以发现,液化后的土体中,试验模型没有明显的破坏,但液化后由于孔隙水压力的增加,使得模型结构产生了明显的上浮现象,对于本次试验,由于砂土层是水平成层的,试验模型仅是独立的地铁车站模型,结构上浮基本上是均匀的,可以推断:在实际地铁工程中,如果隧道或地铁车站处于不均土层中,液化后将导致严重的不均匀上浮或沉降,将引起隧道或结构的断裂等严重破坏。 4.三维有限元数值模拟分析 为了实现在ABAQUS中用有限的模型土模拟半无限空间土体,探索了将加速度时程转化为力时程,并在底边界添加阻尼器的方法来实现在ABAQUS应用粘性边界条件的方法,并通过波源问题和散射问题证明了此方法的合理性; 通过对模型试验的数值模拟分析,证明了振动台试验和数值模拟结果的可靠性;通过对原型结构的三维有限元数值模拟进一步揭示乐地下结构地震破坏机理:层间相对位移是多层地下结构破坏的主要原因,顶层柱顶和楼板与墙、柱节点处容易发生弯剪破坏,是整个地下结构地震响应中最薄弱环节。


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