（岩土工程专业论文）地铁车站地震反应和破坏机理分析.pdf

摘要 摘要 近几十年，随着我国国民经济的发展和城市人口的逐渐增加，地下结 构得到前所未有的发展，全国各地修建了越来越多的大跨度多形式的地下 建筑物。以前由于震害资料较少，人们普遍认为地下结构抗震性能好，对 地下结构抗震分析研究不多。但在神户地震中，地下结构遭受了严重的破 坏，其中，大开地铁车站因坍塌而完全丧失使用功能，并且致使正上方主 干道塌陷2 5 米之多，影响了灾后救援工作，本次地震中地铁结构造成的 经济损失达到3 0 0 亿日元。此后又出现了很多地下结构遭受地震破坏的实 例。在我国，目前还没有具体统一的地下结构抗震设计规范可循，地下结 构抗震研究很不成熟。本文以大开地铁车站为对象，通过动力有限元法对 地下结构地震破坏机理进行了初步研究。 本文首先利用等效线性化程序s h a k e 9 1 对大开车站附近场地土进行 了一维地震反应分析，全面了解了实际土体在神户地震作用下的反应，获 得了场地土的等效阻尼比和等效剪切模量，总结了土层条件对地下结构震 害的影响。按照大开车站的实际结构尺寸和周围土层的实际资料，建立了 二维平面应变有限元模型，采用纤维单元模型考虑钢筋混凝土车站结构的 材料非线性和构件非线性，利用等效阻尼比和等效剪切模量来考虑土体的 动力非线性，以神户地震p o r t 岛地下8 3 米处记录的垂直向和南北向加速 度波形作为二维地震动的输入波，对大开车站进行了模拟计算。通过分析 地下结构内力、位移及纤维单元截面的破坏状况，从神户地震独特的地震 特性出发，初步确定了大开地铁车站的破坏机理。对比分析了弹性模型和 弹塑性模型的计算结果，结果表明：地下结构抗震分析应该考虑钢筋混凝 土结构的非线性。利用轴力一弯矩相互作用关系曲线和构件的抗剪承载力 计算公式，分析了竖向地震动对地下钢筋混凝土结构的破坏作用。分析了 周围土体刚度对地下结构震害的影响，同时得出土体的动力非线性对地下 结构震害的重要影响。中柱是地下结构震害最为严重的部位，本文分别计 算分析了中柱剪切破坏、弯曲破坏和轴压破坏三种破坏形式，对大开车站 中柱的地震破坏过程有了较深入的认识。 关键词：地下结构、纤维模型、中柱、地震反应、等效线性化 中国地震局t 程力学研究所硕十学位论文 a bs t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n se c o n o m ya n d t h er a p i di n c r e a s eo ft h ec i t i z e n ，t h eu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sd e v e l o pr a p i d l y ， m o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dl a r g ec r o s s s e c t i o nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s a p p e a ri nm a n yp l a c e so fo u rc o u n t r y b e f o r e ，p e o p l eg e n e r a l l yt h o u g h tt h e a n t i s e i s m i c a b i l i t yo fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e si sv e r yg o o dd u et ot h e i n f o r m a t i o no ft h ed a m a g et ou n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sf r o me a r t h q u a k ei sf e w 。 t h er e s e a r c ho fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ea n t i s e i s m i ci sf e w b u tt h eu n d e r g r o u n d s t r u c t u r e sw e r ed a m a g e db a d l yi nt h ek o b ee a r t h q u a k e ，e s p e c i a l l yd a k a i s u b w a ys t a t i o nc o l l a p s e dc o m p l e t e l ya n dl o s tt h ef u n c t i o no fu s e ，w h i c hm a d e a b o v em a i nw a yc o l l a p s e ，t h em o s ts e t t l e m e n tw a sm o r e2 5 m 。w h i c ha f f e c t e d t h es u c c o r t h ee c o n o m yl o s sb r o u g h tb yu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e si nt h ek o b e e a r t h q u a k ei sa p p r o x i m a t e l y3 0 0h u n d r e dm i l l i o ny e n h e n c e f o n h ，t h e r e h a p p e n e dm a n ye a r t h q u a k e sr e s u l t i n gi nd a m a g eo nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s i no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ho nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ea n t i s e i s m i ci sf e w n o w 。w eh a v en o tu n i f o r mu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ea n t i s e i s m i cd e s i g nc r i t e f l o n t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h ed e s t r o ym e c h a n i s mo fu n d e r g r o u n d s t r u c t u r eb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ed a ka is t a t i o ns e r v ea st h e m a i nr e s e a r c ho b j e c t t h ea r t i c l ef i r s t l ya n a l y s e st h es e i s m i cr e s p o n s eo fda ka is t a t i o n s s u r r o u n d i n gg r o u n db yt h eo n ed i m e n s i o ne q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o np r o g r a m s h a k e 9 1 ，w eo b t a i nt h ee q u i v a l e n td a m pa n de q u i v a l e n ts h e a rm o d u l u sb y c o m p u t i n g t h et w od i m e n s i o n sp l a ns t a i nf i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d i nt h i sa r t i c l e ，a c c o r d i n gt of a c t u a ls t r u c t u r es i z ea n dg r o u n di n f o r m a t i o n t h e n o n 1 i n e a r i t yo fm a t e r i a la n dm e m b e rf o rr cs t r u c t u r ei sc o n s i d e r e db yf i b r e e l e m e n tm o d e l ，t h e g r o u n dd y n a m i c a ln o n 1 i n e a r i t y i sc o n s i d e r e d b y e q u i v a l e n td a m pa n de q u i v a l e n ts h e a rm o d u l u s t h ei n p u te a r t h q u a k ei st h e v e r t i c a la n ds o u t h n o r t ha c c e l e r a t i o nw a v e f c i f i l lo b t a i n e do nr o c ko f 8 3 m d e p t hi np o r ti s l a n d t h ed e s t r o ym e c h a n i s mo fd a k a is t a t i o ni so b t a i n e db y a n a l y z i n gt h es t r u c t u r ei n t e r n a lf o r c e 、r e l a t i v ed i s p l a c e m e n t 、t h ed e s t r o ys t a t u s o ff i b r ee l e m e n ts e c t i o n sa n dt h ee a r t h q u a k ec h a r a c t e r i s t i c t h er cs t r u c t u r e n o n 1 i n e a r i t yi sv e r yi m p o r t a n ti nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ea n t i s e i s m i cr e s e a r c h b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so f e l a s t i cm o d e la n dp l a s t i cm o d e l t h ed e s t r o ye f f e c t o ft h ev e r t i c a le a r t h q u a k et or cu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ei sa n a l y z e db yt h e f o r m u l ao fs h e a rf o r c el i m i t i n gd e s i g nv a l u ea n dt h em u t u a le f f e c tc u r v eo f i l 摘要 i i i i l l l n o r m a lf o r c ea n db e n d i n gm o m e n t t h ei n f l u e n c eo fg r o u n ds t i f f n e s so n s e i s m i cr e s p o n s ei sa n a l y z e d ，a tt h es a m et i m e ，w ek n o wt h a tt h ei n f l u e n c eo f t h eg r o u n dd y n a m i cn o n - l i n e a r i t yo nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r es e i s m i cd a m a g e i s p r o m i n e n t t h ec o l u m na r et h em o s tw e a kp a r ti nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，w e a n a l y z et h eb e n d i n gf a i l u r e ，s h e a rf a i l u r ea n dn o r m a lp r e s s u r ef a i l u r eo ft h e c o l u m n w eu n d e r s t a n dt h es e i s m i cd a m a g ep r o c e s so ft h ec o l u m nd e e p l y k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e 、f i b r em o d e l 、c o l u m n 、s e i s m i cr e s p o n s e e q u i v a l e n tl i n e a r i z a t i o n i i i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得主国丝重 屋王猩左堂婴究逝或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：钤心签字同期：! ：竺移 学位论文版权使用授权书 本人完全了解主国丝震屋王猩左堂班塞题有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅：本人授权史国丝震昼工猩左堂班塞压可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 签字日期： 饼ki 太 j 硝1 2 g 导师签名： 签字同期：! 望：! 三气严， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 近几十年，由于城市规模的扩大和城市人口的逐年增加，城市空间越 来越紧缺，一些大城市地面结构已不能满足交通和商业的需求，严重影响 了市民的正常生活，制约了城市经济的发展，与此同时，城市生态环境也 日益恶化。地下空间的开发和利用可以很好的解决以上问题，它可以节约 土地资源、减少城市环境污染、提高城市集约化程度、具有较强的抵抗自 然灾害的能力。目前全国许多城市都在大力开发利用地下空间资源，北京、 上海、天津、广州、深圳等城市正在修建地下隧道交通网，已开始成为人 们生活不可或缺的重要交通工具，同时还有几十个城市也正在进行这方面 的规划。除修建城市地铁以外，全国近2 0 0 座城市中还修建了面积达一千 多万平方米的人防和其他地下工程，如停车场、过街人行道、地下商场等。 正如科学家预言那样：2 l 世纪将是“地下空间”的世纪，如今在全国范 围内正掀起一场修建地铁等大型地下结构的热潮，并朝着大跨度多形式的 方向发展。 以前因为地下结构震害资料较少，人们普遍认为地下结构受周围介质 的约束，具有很强的抗震性能，不会在地震中遭受破坏。然而，近些年的 一些地震，如1 9 9 5 年的神户地震、1 9 9 9 年的集集地震和土耳其大地震、 2 0 0 4 年的新漏中越地震等，对地下结构都造成了十分严重的破坏。尤其 在1 9 9 5 年的神户地震中，不仅城市生命线工程( 地下给排水管道、天然 气管道等) 遭到了严重的破坏，不少地铁车站及区间隧道也遭到了严重的 破坏，甚至出现了地铁车站完全倒塌而不能使用的先例，其中大开车站最 为严重，一半以上的中柱完全倒塌，导致顶板坍塌和上覆土层大量沉降， 使与其平行的一条地表主干道在长达9 0 米的范围内发生塌陷，最大沉降 量达2 5 米之多。在1 9 9 9 年的集集地震中，被调查的5 7 座山岭隧道中有 4 9 座隧道遭受不同程度、不同形式的破坏。在1 9 9 9 年的土耳其大地震、 2 0 0 4 年的新漏中越地震中也出现了大量隧道遭受严重破坏的情况。近些 年的地下结构震害表明：在发生强烈地震时，地下结构同样可以遭受到严 重的破坏甚至倒塌“一“。 地下结构尤其是地铁车站等大型复杂地下结构发生严重地震震害时， 会产生极其严重的社会后果和经济损失，这是因为：地下结构的破坏，不 但影响附近地面建筑物的稳定性，而且本身修复困难并且代价昂贵，如在 1 9 9 5 年的神户地震中，仅地铁结构造成的经济损失约为3 0 0 亿同元，修 复大开车站约1 0 0 亿日元，修复区间隧道约1 8 0 亿日元u 。，大开车站整整 中国地震局t 程力学研究所硕1 ：学位论文 经过一年的修复才恢复开放。更重要的是，它的破坏还会危及城市生命线 工程的安全，并由此引发次生灾害，影响灾后救援工作，而且随着地下结 构物数量不断增多、规模不断扩大和人们对其的依赖度不断的提高，地铁 等大型地下结构的震灾破坏的危害性也会越来越大。提高地铁等大型地下 结构在地震中的安全性意义重大。 过去由于地下结构比较少，震害资料不足，神户地震以前，关于地下 结构的抗震研究不是很多。神户地震发生后，大跨度地下结构的抗震研究 越来越引起人们的严重关注。在我国，由于缺少该方面的研究，地下结构 抗震设计还没有具体统一的标准可循，现有的抗震设计规范中关于隧道结 构方面的抗震设计条文十分简略，比如根据现行公路工程抗震设计规范 ( j t j 0 0 4 8 9 ) 中规定，隧道的抗震设计使用静力法：地铁设计规范 ( g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ) 中关于抗震设计的说明，也只给出了“一般宜采用反应位 移法或地震系数法”的简单说明。而我国地处欧亚大陆板、太平洋板块和 印度洋板块之间，地震活动非常频繁，6 度及6 度以上地震设防的地区占 全国总面积的三分之二以上，有一半以上的城市位于7 度及7 度以上地震 烈度区，北京、天津等大城市都位于8 度区内，因此，进行大型复杂地下 结构地震破坏机理研究以求提高其抗震性能具有很好的理论研究意义和 工程实际应用价值，也是国家建设、社会发展的需要。 1 2 国内外研究历史及现状【4 。9 l 7 0 】 1 2 1地下结构抗震分析发展历史概况 地下结构受周围介质的约束，与地面结构的动力反应特点有很大的不 同，这决定了它们抗震分析方法的不同。但是，在2 0 世纪六七十年代以前， 地下结构的抗震设计基本上还沿用地面结构的抗震设计方法，只是在7 0 年代以后，地下结构的抗震设计才逐步形成了本身独立的体烈3 1 。 地下结构抗震理论是随着地面建筑抗震理论的发展而发展的。5 0 年代 以前，国内外地下结构的抗震设计都是以日本学者大森房吉提出的静力理 论为基础来计算地下结构的地震作用力( 即通常所说的静力法或地震系数 法) 。6 0 年代初，前苏联学者福季耶娃在抗震研究中将弹性理论用于地下 结构( 福季耶娃法) ，以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域中的应力 应变状态，得出了地下结构地震力的精确解和近似解，6 0 年代末，美国旧 金山海湾地区在建设快速地铁运输系统时( b a r t ) ，对地下结构抗震进 行了深入研究，他们提出了“地下结构应具有吸收强变形的延性，并且不 丧失承受静载的能力，而不是抵御惯性力”的新的地下结构抗震设计思想 ( b a r t 法) ，并以此为基础制定了具有开创性意义的抗震设计标准j ( 1 9 6 9 年) 。8 0 年代，美国在洛衫矶地下铁道的设计中也对地震荷载作了 第一章绪论 充分的考虑。7 0 年代后期和8 0 年代，日本学者依据地震观测和模型试验资 料，结合波动理论，提出了反应位移法、地基抗力系数法、应变传递法等 实用的拟静力计算方法，大大丰富了地下结构的抗震理论。并从7 0 年代后 期以来地下结构的抗震设计方法在水道，沉埋隧道以及核电厂的抗震设计 规范中得到了体现。后来又出现了一系列的实用抗震分析方法，如递推衍 射法、有限元反应应力法“、s t j o h n 法“、s h u k l a 法及a k i r at a t e i s h i u 刨提出的g r m 法等等。 以上提到的这些实用方法都是静力方法或是拟静力方法，大都是粗略 和近似的，往往将问题过于简化，无法满足对结构在地震荷载下的动态响 应特性进行深入研究，或是进行某些特殊情况或特殊部位抗震分析的需 要：因为支配地下隧道结构地震响应的控制因素是地基变形，所以，静力 法是不合理的。反应位移法则抓住了地基变形这一控制因素，但其不能进 行地震时程分析。围岩应变传递法也是从变形入手，但要准确地确定合理 的应变传递率则是极其困难的。地基抗力系数法主要是用于求解结构断面 的响应。b 触玎法则有利于在实际中可快速地对结构的地震响应做出估 算。对地下隧道这种线型结构，s t j o h n 法无疑是较适用的，但它对地基 状况和输入运动作了过多的简化。而福季耶娃法将问题简化为线弹性理论 动力学问题的求解，也是过于简化了问题。随着地下结构抗震理论和工程 实践的进步以及计算技术的飞跃发展，有限元动力反应分析成为可能，相 比而言它可以更全面，更真实的再现地下结构在地震荷载下的动态特性， 因此被国内外科研工作者普遍应用。该法在计算模型及参数的确定、地震 波及其输入方式的确定等方面还有一些问题有待进一步的完善。 目前国际上静力法( 地震系数法) 基本己淘汰不用。拟静力方法的特 点是计算简单，且在某种程度上体现了地下结构地震反应特性，因此，对 于结构和土质条件简单的工程，基本用拟静力法，而对于重大的复杂结构， 或场地条件复杂的情况，多采用有限元动力反应分析方法。总体来看，形 成了拟静力法和有限元动力反应分析并用的局面，但是随着数值计算技术 的不断完善和计算机内存及速度的不断提高，后者在地下结构抗震分析中 所占的分量将越来越大。 1 2 2 地下结构抗震分析方法 目前地下结构抗震问题的研究方法大致分为3 种：原型观测、实验研 究和理论分析。 l ：原型观测 原型观测就是通过实测地下隧道结构在地震时的动力特性来了解其 地震响应特点。由于严格地讲地震后土体与结构物的变形是一个场的概 中国地震局t 程力学研究所硕十学位论文 念，而模型试验很难模拟这一点，所以原型观测成为地下隧道结构抗震研 究中必不可少的手段之一。它主要包括震害调查和现场试验两大类。震害 调查往往是在地震结束后才开始进行的，因而受观测时间、手段和条件等 的限制，但是震害是最真实的“原型试验的结果，因此一直受到人们的 重视。目前这方面的资料收集正在不断的增加，尤其是1 9 9 5 年日本神户 大地震发生后，进行了广泛的震害调查，收集了大量有益的资料。但震害 调查很难对地震过程中的动力响应进行量测，也无法控制地震波的输入机 制和边界条件，更无法主动地改变各种因素以对某一现象进行有目的、多 角度的研究。故有时就不得补借助于现场试验，它可以在一定程度上弥补 这一缺陷。 2 ：实验研究 实验研究就是通过激震实验来研究隧道结构的响应特性。它可以分为 人工震源实验和振动台实验。由于前者较难反映结构的非线性及地基断裂 等因素对隧道结构地震反应的影响，一般不易采用；而振动台实验法能够 较好地把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作 用特性等问题，因此被广泛应用。根据试验模型的不同，振动台实验法又 分为足尺实验和缩尺实验，足尺实验可以真实的再现实际结构的动力特 性，但其模拟难度大费用高：缩尺实验操作相对简单费用也相对较少，但 其存在相似率等问题，计算结果难免与实际情况有偏差。在日本，大支等 人首先采用振动台实验法研究了砂质地基液化对管线的影响问题；8 0 年代 未，同本国铁铁道技术研究所又利用这种方法对隧道抗震加固问题进行了 试验。我国铁科院铁建所也利用振动台输入地震的方法对隧道模型抗震加 固问题进行了试验。9 0 年代初，美国发展了大型模型的抗震试验技术，可 进行6 个自由度振动，用计算机控制模拟地震荷载输入。通过实验人们可 以更好地掌握地下隧道结构的工作特性，进而为抗震分析的理论发展奠定 基础。该法在实验区域的选择和地基特性的模拟方面还有待进一步研究。 3 ：理论分析 研究地层运动对地下结构的影响主要基于两种方法：一种是相互作用 法，它以求解结构动力方程为基础，把介质的作用等效为弹簧和阻尼，再 将它作用于结构，然后如同分析地面结构模型一样进行分析：另一种是波 动法，它以求解波动方程为基础，把地下结构视为无限线弹性( 弹塑性) 介质中孔洞的加固区，将整个系统( 包括介质与结构) 作为对象进行分析， 不单独研究荷载，以求解其波动场与应力场。这两种方法各有特点，各自 适用于某一种情况，两种方法也都得到发展，起到相互补充的作用。上文 我们提到的各种实用的抗震分析方法都是以这两种方法为基础发展起来 的。 第一章绪论 以上介绍的三种地下结构抗震研究方法都存在各自的局限性，目前还 没有哪一种方法能够完全实现对地下结构动力反应进行全面而真实的解 释和模拟。一般是首先通过原型观测和模型实验结果来部分地或定性地再 现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后 果，在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模 型，发展相应的数值分析方法；再通过模型试验和原型观测结果加以验证。 然后对不同抗震设计方案进行计算分析，尽可能地再现和模拟其实际动力 反应，研究其抗震性能，提出相应的抗震对策。这是研究和评价地下结构抗 震性能的较为合理的有效途径一”。 图1 2 一l 是各种地下结构抗震分析方法分类图，由于实际使用的地下 结构抗震理论分析方法很多，基本是基于波动法和相互作用法两种，本文 在此对其没有做进一步的细分。 图1 2 1 地下结构抗震分析方法类型 1 2 3 地下结构地震破坏研究现状 大开车站在神户地震中倒塌的事实告诉我们：在发生强烈地震时，地 铁等大型地下结构物仍然可以遭受到严重的破坏，这引起了国内外抗震研 究者得重视，对地下结构的破坏机理，人们从不同角度分析给出了各种各 样的解释，下面简要介绍以下国内外学者的研究情况及以取得的结论。 神户地震中，地铁车站的破坏多数是由于钢筋混凝土中柱的破坏而引 起的，这说明中柱是地下结构抗震的薄弱环节。s e n z a is a m a r a 乱等人用 有限元法对地下结构进行了计算，结果表明：中柱的剪切破坏要先于项板 和侧墙的弯曲破坏；水平地震动比竖向地震动对中柱更具破坏性；同时还 指出土层厚度越厚对地下结构破坏越大。x u e h u ia n ”。等人利用二维动力 有限元软件( w c o m d s j ) 对大开地铁车站的地震反应进行了模拟，指出中 中国地震局t 程力学研究所硕t 学位论文 柱较差的抗剪能力和延性是导致其破坏的主要原因。k o j iu e n i s h i 和 s h u n s u k es a k u r a i 刚通过模型分析提出：承担上部土层重量的中柱在遇 到特别频率的弹性地震波时可能发生共振，而柱子承担的覆重同样影响柱 子的固有频率，依此解释了不同断面出现中柱破坏程度不同的原因。 j i z a w a 等。通过离心振动台试验，研究了矩形截面隧道的振动特性。并 提出了相关抗震对策。h o n g b i nh u o 等驯利用a b a q u s 软件对大开车站三 种不同截面车站进行了数值分析，计算结果同实际震害类似，在模拟计算 中，他们充分考虑了土体的动力非线性和接触面之间的脱开滑移的影响， 并进行了对比计算。神户地震是典型的“都市垂直型”地震，竖向地震动 的成分比较多，因此一些学者认为竖向地震力可能对地下结构尤其是中柱 的破坏力比较大。宫必宁”“。等通过振动台试验分析得出竖向地震力的 参与会使结构内力明显增大。尚吴，郭志昆驯等进行了大断面地下结构 抗震模型试验，检测了结构埋设深度、竖向地震荷载等因素对结构抗震能 力的影响，指出竖向地震力对中柱的影响特别大。刘晶波h ”1 。等从地震本 身特性考虑，认为，地下结构是先在竖向地震动高频分量作用下进入塑性， 周期变长，而后又受到水平地震动低频分量的作用，在两者连续作用下， 使结构发生破坏。陶连金等刨在进行典型的地铁车站结构振动台模型试 验中，得到了各地震波不同荷载级别作用下的中柱、侧壁及顶板处钢筋和 混凝土的应变反应、车站结构及模型土的加速度反应、土与结构之间的接 触压力反应等，结果表明在强烈地震情况下，地下结构会受到损害。车爱 兰、岩檐敞广。以神户大开地铁车站为对象，进行了一系列的模型振动 试验和动力有限元分析。对于作用于地下结构的地震动土压的发生原理、 地震波输入方向、结构的埋设深度、地基与结构间的刚性比对地震动土压 的影响及在地基一结构系统的非线性响应下结构周围地基终局状态时的 地震动土压进行了研究，得出了一些有益的结论。杨林德叫等对软土地 铁车站结构进行了振动台模型试验并对试验结果进行了数值拟合分析。杨 小礼乳等用a n s y s 对浅埋大跨连拱隧道进行了地震反应分析，指出连拱 隧道的洞项及隔墙上部是抗震的薄弱环节，通过计算对比得出连拱隧道比 单拱隧道具有更差的抗震性能。孙海涛晡w 应用动力有限元法分析了洞体 参数( 洞径、埋深及衬砌弹摸) 对盾构隧道地震响应的影响。刘如山比卜“。 就地下结构与周围土体在地震作用下的脱开、滑移问题进行了详细分析， 指出土一结之间的脱开、滑移作用，对结构变形和断面力计算值影响很大。 庄海洋，陈国兴旧卜趵川副等对地下结构进行了一系列的地震反应数值模拟 分析，关于地下结构容易发生地震破坏的部位以及大开车站成灾机理方面 给出了解释。国胜兵“驯等运用f l a c 对地下结构在竖向和水平地震荷载作 用下的动力响应进行了数值分析，分析了地下结构的侧墙、顶板、底板及 中柱的受力状态和动力响应。除此之外，其他一些学者 3 9 6 5 也就地下 第一荦绪论 结构抗震的相关方面进行了大量有益的研究。 神户地震大开车站的倒塌，引起了人们对大型地下结构抗震问题地严 重关注，随后国内外涌现了大量关于地下结构抗震分析的研究。研究的问 题主要集中在以下几方面：( 1 ) 大开地铁车站地震破坏机理的研究，尤其 是中柱破坏过程的研究；( 2 ) 竖向地震动对地下结构震害的影响；( 3 ) 对 地下结构震害影响因素的研究，包括地下结构截面形状尺寸、埋深、地震 波特性、土体的特性等；( 4 ) 有限元模型的改进方面，包括人工边界条件 的设定、土体非线性模型、土一结相互作用面地模拟等。 值的一提是：在利用有限元进行模拟分析时，考虑钢筋混凝土结构非 线性的研究不是太多，有些人只是考虑到了土体动力非线性或接触面的非 线性，而将钢筋混凝土结构假定为线弹性状态，这种假定完全不符合实际 情况，在强烈地震中，钢筋混凝土结构早已经进入了材料非线性和构件非 线性阶段，有的甚至达到破坏程度，所以在建立有限元模型时，应该给予 足够的重视。本文在建立有限元模型时，充分考虑了钢筋混凝土结构的各 种非线性。在国外一些学者对此作了一些工作：j u nm a t s u i j “等对钢筋 混凝土地下结构进行了震动台试验，同时又进行了数值分析计算，作者采 用三线性模型考虑了钢筋混凝土的材料非线性，试验结果与计算结果吻合 的相当好。t a k a s h im a t s u d a 和k o j ii t o 哺纠在用离心模型试验对钢筋混 凝土地下结构进行地震反应分析时，也采用了非线性数值计算方法进行了 对比，同样取得了满意的结果。 根据国内外学者的研究成果，得到了地下结构的一些地震反应特性： ( 1 ) ：地下结构的振动变形受周围地基土体的约束作用显著，结构的动 力反应一般不明显表现出自振特性的影响。 ( 2 ) ：地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般较小( 指地下结构 的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况) 。地面结构的存在则对该处自 由场的地震动发生较大的扰动 ( 3 ) ：地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大，地震波的入 射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变 化。地面结构的振动形态受地震波入射方向的影响相对较小。 ( 4 ) ：地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显。对地面结构来 说，埋深是影响地震反应大小的一个重要因素。 ( 5 ) ：对地下结构和地面结构来说，它们与地基的相互作用都对它们的 动力反应产生重要影响，但影响的方式和影响的程度则是不相同的。 中国地震局t 程力学研究所硕t 学位论文 1 3 大型地下结构震害阳7 8 1 1 9 9 5 年1 月1 7 日发生了神户地震，各种地下结构遭到了不同程度的 破坏，其中大开车站成为世界上第一个因地震破坏而丧失使用功能的大型 地下结构。本文的主要工作是模拟大开车站地震破坏的过程，以期望从中 得出大截面地下结构地震破坏机理及影响其地震反应得各种因素，所以有 必要介绍一下大开车站及其震害情况。 大开车站始建于1 9 6 2 年，位于神户高速铁道东西线上，其上部地面 为日本国道2 8 号线。该站采用明挖法构建，开挖深度为1 2 米，用立柱加 挡土板支护。大开车站宽l7 米、高7 2 米、长1 2 0 米，采用侧式站台， 横断面为有中柱的函箱结构。有两种断面类型：标准段断面1 - 1 和中央大 厅段断面2 2 ，图1 3 1 和图1 3 2 分别为该站的横断面图和平面图，卜1 断面为站台和轨道；2 2 断面的地下一层是剪票大厅，地下二层是站台和 轨道。它们都为钢筋混凝土闭合框架结构，覆土厚度：标准段为4 8 米， 中央大厅为1 9 米。中柱间距为3 5 米( 区间隧道处为2 5 米) ，中柱断 面为o 4 m 1 o m ，内配0 3 2 m m 的钢筋3 0 根，箍筋为0 9x3 5 0 。 原有结构参照当时规范标准设计，没有考虑地震因素。但设计非常保 守，安全系数很大。故该站在地震中遭到严重破坏而不能使用的情况引起 人们的严重关注。图1 3 - 3 为大开车站的破坏情况的纵向示意图，根据破 坏情况将车站分成三个区域：z o n e a 、z o n e b 和z o n e c 。 断面1 1 葑 r 嘬苻 熊 晶唧 兰| 嚣铥。i 铝吁 1 牡 。 8 引 湘n寤0n 如7 5 0 _，- k 女 拍 圈1 3 - 1 大开车站典型横断面图 图1 3 - 2 大开车站平面图 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 a 和c 两个区域为单层部分，b 为包括剪票厅的二层构造。a 区有2 3 根柱( 编为柱1 柱2 3 ) ，b 区有6 根柱( 柱2 4 - , 柱2 9 ) ，c 区有1 6 根柱 ( 柱3 0 - - , 柱3 5 ) 。a 区破坏最为严重，大部分中柱几乎全被压碎，钢筋外 露成弯曲状，顶板坍塌，使原结构变成了m 形( 如图1 3 - 4 a ) 。顶板的塌 陷使上方与其平行的地表主干道在长达9 0 米的范围内塌陷，最大塌陷量 为2 5 米。顶板在中柱两侧2 1 5 p 2 4 0 m 范围内出现1 5 0 m m - - 2 5 0 m m 的纵 向裂缝，而且在托座附近及侧墙与顶板交接处有大量混凝土脱落。区域b 的破坏最轻，在6 根中柱中：靠近a 区的两根中柱( 柱2 4 和2 5 ) 仅上部 被压碎，顶板塌落不严重，角部的混凝土仅少量脱落；靠近c 区的一根中 柱( 柱2 9 ) 下部破坏，部分钢筋弯曲；中间三根中柱只是下部混凝土剥 落( 图1 3 - 4 b ) 。c 区与a 区结构形式相同，但破坏比a 区轻的多，只是 中柱下部发生剪切破坏，轴向钢筋被压曲，使上部顶板下沉5 a m 左右( 图 1 3 - 4 c ) 。对于侧墙：在a 区其上端和下端均有混凝土的剥落，且在纵向 及横向观察到了很多裂缝；而b 区无明显破坏；c 区也未见裂缝或混凝土 脱落。图1 3 - 5 是地铁车站震破坏的真实照片。 地铁车站和区间隧道的震害形式归纳总结如下：车站的破坏主要发生 在中柱上，不少中柱出现裂缝，混凝土剥落，钢筋弯曲外露等现象。在受 损最严重的大开车站，很多中柱被压坏，丧失承重能力而致坍塌。车站顶 板、侧墙也出现不同程度的破坏，主要表现为混凝土开裂、剥落。在受灾 严重的地方，因中柱的破坏还导致了顶板的坍塌断裂；与地铁车站相比， 区间隧道的破坏较轻微，主要表现为：侧壁，顶板出现裂缝，在构造接缝 部分，一部分混凝土被压坏而露出钢筋。一些中柱的上下两端因受弯而出 现裂缝，混凝土剥落，钢筋弯曲外露等。 i 0 蕾 为膏蕾mm l h 撕 钿- 撕c 图1 3 3 大开车站破坏情况纵向示意图 ( ) z o e t a 桂1 0 处 ( c ) z o c 挂3 1 妊 m z o o e b 柱2 6 址 图1 3 4 大开车站破坏断面示意圈 图13 - 5 大开车站实际震害 中国地震局1 二程力学研究所硕l ：学位论文 1 4 各章主要研究内容及安排 本文主要研究内容是大跨度地下结构横断面的地震反应分析，没有涉 及小截面地下结构( 如地下管线) 及轴向地下结构的地震反应分析。本文 以大开地铁车站为主要研究对象，根据实际车站结构尺寸及土层条件，建 立了弹塑性二维有限元模型，本文选用实际地震波记录p o r t 波作为输入 波，模型同时考虑了竖向和水平向地震动的影响。通过对大开车站模型内 力、位移以及塑性铰的分析，结合神户地震本身的地震特性，初步分析了 大开车站的地震破坏机理；本文并就竖向地震动、土体刚度( 土体震害) 等影响因素进行了对比分析：中柱是大开车站破坏最严重的部位，对此， 本文对中柱震害进行了专门分析。 地下结构被周围介质包围，周围介质的变形及位移是影响地下结构震 害的最主要因素，鉴于此，本文特别详细的分析了大开车站场地土的地震 反应分析，全面了解了土层的各种地震反应，并进行了一些对比分析。土 体具有很强的动力非线性：剪切模量随剪应变的增加而减小，阻尼随剪应 变的增加而增加。本文利用一维等效化程序s h a k e 9 l 计算获得了场地土 的等效剪切模量和阻尼比，以此作为二维有限元模型土体材料参数。 在强地震动作用下，地下钢筋混凝土结构早已进入到了塑性阶段甚至 倒塌破坏，然而其他很多有关地下结构抗震分析的研究中，都没有考虑钢 筋混凝土结构的非线性，这种假设结构一直处于线弹性阶段的做法，显然 与实际情况不符，其得出的结构也难免出现偏差。与其他研究不同，本文 考虑了钢筋混凝土结构的非线性，借助纤维模型理论，体现了钢筋混凝土 的材料非线性和构件非线性。 第一章为绪论。阐述了论文选题背景及研究意义；总结了地下结构抗 震分析的发展历史：评述了地下结构抗震分析方法：归纳了国内外学者对 大截面地下结构抗震研究现状，对本文的主要研究对象大开车站及震害进 行了描述，介绍了本文的主要工作。 第二章为一维土层非线性地震反应分析。本章主要是对大开车站附近 场地土进行地震反应分析，了解大开车站附近场地土在神户地震作用下的 地震反应情况，同时计算场地土在地震作用下的等效阻尼比和等效剪切模 量，为地下结构二维有限元时程分析提供必要参数，并简要介绍了一维等 效线性化程序s h a k e 9 1 。 第三章为基于截面纤维模型的地铁车站动力弹塑性模型。详细介绍了 纤维模型及其求解截面m n q 关系曲线的过程，介绍了大开车站有限元 模型及相关的一些问题，如地震波的选取、钢筋和混凝土材料本构关系、 刚度矩阵、阻尼矩阵等。 第四章为地下结构地震破坏机理分析。对大开地铁车站分别进行弹性 第一章绪论 分析和弹塑性分析并进行对比分析：根据计算结果初步分析了大开车站的 成灾机理：分析研究竖向地震对大开车站的震害影响：对比分析土体刚度 ( 土体动力非线性或土体震害) 对地下结构震害的影响，分析大开车站中 柱三种破坏形式。 第五章为结语与展望。总结论文的工作内容并提出需要进一步开展的 工作。 中国地震局- t 程力学研究所硕士学位论文 第二章一维土层地震反应分析 2 1引言 场地条件是影响震害的主要因素之一。历次震害表明，场地条件对地 面地震动峰值加速度和频谱形状具有重要的影响，而且与不同类型工程结 构的地震反应和震害机理也具有密切的关系。如1 9 6 7 年的加拉加斯地震， 1 9 8 5 年的墨西哥地震，1 9 8 9 年的洛马普里埃塔地震和1 9 9 5 年的神户地震 造成的各种震害充分说明了这一点n 驯。地下结构被场地土所包围，在地 震作用下不能明显表现出自振特性，其地震反应主要受周边土介质的应变 和相对位移所控制，周围土质特性和土层条件对地下结构的震害影响更加 显著。进行场地土地震反应分析，了解各土层的地震动反应特点，对地下 结构震害机理分析很有必要。 地震作用下，土体具有很强的动力非线性特性，具体表现为：土的剪 切模量随着剪应变的增大而减小；阻尼比随着剪应变得增大而增大比“。 等效线性化方法和真非线性方法是目前考虑土介质非线性动力性能的两 种主要方法。等效线性化方法具有概念明确，应用方便的优点。其基本思 想是考虑到非线性问题时，通常是用一条等效稳态曲线近似地表示所有原 来事实地震波穿过土层，即体系在整个地震作用期间的反应可以用一组平 均意义下不变的剪切模量和阻尼比来计算，这种方法在一定的条件下能保 证计算结构有足够的精确性。本章利用等效线性化程序s h a k e 9 1 对场地土 进行地震反应分析，从中得到场地土的等效剪切模量和等效阻尼比，为后 面的地下结构分析模型提供必要的参数。 2 2s h a k e 9 l 程序简介【8 2 】 s h a k e 9 l 是针对水平层状土体进行等效线性地震反应分析的一种计算 机程序，它是由i mi d r i s s 和j o s e p hi s u n 在原来s h a k e 程序基础上修 改而成的。该程