地铁车站地震反应和破坏机理分析

论文摘要

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300亿日元。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SHAKE91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Port岛地下83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—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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究历史及现状
• 1.2.1 地下结构抗震分析发展历史概况
• 1.2.2 地下结构抗震分析方法
• 1.2.3 地下结构地震破坏研究现状
• 1.3 大型地下结构震害
• 1.4 各章主要研究内容及安排
• 第二章 一维土层地震反应分析
• 2.1 引言
• 2.2 SHAKE91程序简介
• 2.3 计算模型参数
• 2.4 大开车站场地土地震反应分析结果
• 2.5 小结
• 第三章 基于截面纤维模型的地下结构动力弹塑性模型
• 3.1 引言
• 3.2 纤维模型
• 3.2.1 纤维模型概述
• 3.2.2 纤维模型求截面M—N—φ关系曲线过程
• 3.3 材料的本构关系
• 3.3.1 混凝土本构模型
• 3.3.2 钢筋本构模型
• 3.4 大开地铁站有限元模型
• 3.4.1 MIDAS 简介
• 3.4.2 大开车站基本情况
• 3.4.3 大开车站有限元模型
• 3.5 其他相关问题
• 3.5.1 地震波的选取
• 3.5.2 分析方法的选取
• 3.5.3 结构质量矩阵和阻尼矩阵
• 3.5.4 数值分析方法
• 第四章 地下结构地震破坏机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 地下结构弹性有限元模型分析
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 位移分析
• 4.2.3 结构内力与应力分析
• 4.3 地下结构弹塑性有限元模型分析
• 4.3.1 结构内力、位移分析
• 4.3.2 地下结构塑性铰分析
• 4.4 地下结构抗震相关问题
• 4.4.1 竖向地震动的影响
• 4.4.2 土介质刚度的影响
• 4.4.3 大开地铁车站中柱震害分析
• 第五章 小结及展望
• 5.1 本文工作小结
• 5.2 问题的讨论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介