大跨度Y形柱地铁车站结构地震反应研究

随着地铁建设的发展,出现了一种新型的结构形式—大跨度Y形柱地铁车站结构,与现有的地铁车站结构完全不同,其空间高大宽敞,环境舒适.为研究该新型地铁车站结构的抗震性能,以北京地铁6号线新华大街站为工程背景,使用FLAC~(3D)软件建立土与地下结构三维有限差分动力模型,模拟其在新华大街人工波作用下的响应过程,重点分析了车站Y形柱和侧墙的加速度、位移、应变的规律,并与试验结果进行了对比分析,结果表明:数值模拟与振动台试验结果基本一致,体现出了相似的规律性;Y形柱加速度最大位置出现于柱顶端稍下位置,并非于柱顶端;Y形柱分叉位置处应变出现突变,此点相对于柱底的位移最大,且变化率较大,是抗震设计中需要加强的部位;Y形柱加速度、位移变化都会大于侧墙.上述研究成果对提高该类地铁车站结构抗震性能的认识及抗震设计水平提供了合理的参考与指导.     

土-地铁车站及其上盖结构体系地震反应分析

为研究地震作用下地铁车站及其上盖结构体系的地震反应特征，本文以一典型的地铁车站及上盖结构体系为背景，采用ABAQUS软件建立土-地铁车站及其上盖结构体系的三维有限元模型，利用等效线性化方法考虑土的非线性，以不同类型的单向地震波和双向地震波（含水平向和竖向）作为输入，对土-地铁车站及其上盖结构体系进行了地震反应分析，比较了不同类型地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系地震反应的差异，探讨了竖向地震动效应和转换梁刚度的影响．本文的算例结果表明：与普通基岩波和El-centro反演波输入相比较，在长周期基岩地震波作用下地铁车站及其上盖结构体系的内力响应和位移响应均最大．这一地铁车站及其上盖结构体系的薄弱部位位于地铁车站底层第2列、第3列柱的柱端和侧墙与底板连接处．竖向地震动对地铁车站及其上盖结构体系中柱的轴力响应值有较大影响．对于本文的动力计算工况，适当弱化转换梁刚度可降低上盖结构层间位移角的动力响应值．     

地铁车站增量动力分析的极限状态判定方法

表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态.本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角作为特征指标.以上海某多层地铁车站为背景,建立了土-结构二维有限元模型,采用增量动力分析法研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

LIMIT STATE DETERMINATION FOR A SUBWAY STATION STRUCTURE BY INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS1)

-5 表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态. 本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角 作为特征指标. 以上海某多层地铁车站为背景,建立了土--结构二维有限元模型,采用增量动力分析法 研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角 的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

近断层地震动作用下地铁车站中柱减震效果研究

为研究近断层地震动作用下地铁车站中柱减震效果,本文首先从PEER 强震数据库中选取我国台湾集集大地震中典型近断层地震动记录,进行了近断层地震动频谱特性分析．然后,以某地铁车站为背景,分别建立中柱安装橡胶隔振支座和没有安装橡胶隔振支座的土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型．在此基础上,选取4 条具有明显脉冲特性的近断层地震动记录和El Centro 波作为输入,对土-地铁车站结构相互作用体系进行了地震反应分析,对比分析了减震模型和原型结构的位移响应和应力响应等结果,探讨了近断层地震动作用下地铁车站中柱的减震效果．结果表明：近断层脉冲型地震动具有较大的加速度、速度和位移时程幅值,并有明显的速度脉冲效应,0.1~1 Hz 的低频成分丰富;在地铁车站中柱柱端安装橡胶支座后,改变了车站结构的传力机制,使得顶板的内力及变形不能有效的传递到中柱上,起到了非常明显的减震效果;中柱增设橡胶支座后结构整体刚度变小,车站结构侧墙内力和水平变形较原型结构有明显增大．     

多维地震波作用下地铁车站及场地的地震反应

研究了不同类型多维地震波作用下地铁车站及软土场地的地震反应特征。以上海软土场地条件下的某双层地铁车站为背景,采用有限元方法建立了描述场地土与地铁车站结构相互作用的二维非线性力学模型,其中利用等效线性化方法模拟了土的非线性。以不同类型基岩的多维(含水平向和竖向)地震波作为输入,运用ANSYS软件数值分析了软土场地中地铁车站结构及场地的地震反应,比较了不同类型地震波作用下地铁车站结构和场地地震反应的差异.算例结果表明:在长周期地震波作用下地铁车站结构的内力响应峰值以及场地地表的加速度响应峰值和位移响应峰值均明显大于普通地震波作用下的相应值;考虑竖向地震动时双层地铁车站底层中柱的柱底轴力较单一水平向地震动作用的情形有明显增大;地铁车站的存在使结构上覆土层加速度响应峰值和位移响应峰值有所降低.     

地铁车站中柱减震效果的概率密度演化分析

本文旨在采用概率密度演化方法，对考虑土体随机性的地铁车站中柱减震效果进行概率密度演化分析．以一典型地铁车站地下工程为背景，基于土体剪切模量的对数正态分布模型，采用谱表现方法确定具有空间变异性的土体随机场分布，分别建立考虑土体随机性的土-地铁车站原型结构相互作用模型和土-地铁车站减震结构相互作用模型，进行地铁车站中柱减震效果的概率密度演化分析与对比研究．结果表明：地铁车站结构地震反应的概率密度演化过程是一种随时间变化的复杂随机过程；不同时刻下结构地震反应的概率密度函数形状有所不同，且某些时刻的概率密度函数具有双峰．在地铁车站中柱上端设置橡胶支座会降低结构中柱水平变形与截面内力的离散度，提高结构侧墙变形与内力的离散程度．同时，可以有效降低中柱水平变形与截面内力的地震反应值，降幅在25%～50%左右，而地铁车站的侧墙变形和内力有所提高．     

基于双层平面索变形的车辐式张拉结构找形方法

建立了由上层索、下层索、飞柱组成的双层平面索结构，根据节点平衡推导了各索段拉力的计算公式；基于索拉力产生的平衡荷载与索拉力水平分量及索竖向变形之间的关系，推导了平面索在竖向荷载作用下变形计算的有限元列式；通过对平面索结构边界节点施加竖向位移，将上下索边节点移动到建筑要求的位置；当飞柱高度不同时，可通过飞柱的伸长或缩短达到设计要求的飞柱高度，最终实现车辐式张拉结构找形。本文还给出了找形后结构分析和索张拉控制所需的初应变计算公式以及考虑边界梁和柱子在索力下产生弹性变形的处理方法。通过对车辐式张拉结构工程实例进行找形计算，介绍了有限元法的计算过程；对找形后车辐式张拉结构进行了受力分析，将找形时结构荷载施加在找形后的结构上，结构最大竖向位移仅为0.72mm，验证了该找形方法的正确性。     

基于抗损性的钢筋混凝土摇摆柱力学性能研究

抗震韧性将震后建筑的功能维持或快速恢复作为最终目标。构件层次的摇摆机制是实现主体结构功能可恢复的有效途径，但应以构件的抗损性为前提。以钢筋混凝土摇摆柱为对象，比拟弹性半空间局部受载经典拉芒（Flamant）理论，推导摇摆柱轴向应力分布弹性力学解答，以此为基础，假定摇摆柱侧移由柱端接触面转角和柱身弯剪变形引起，建立钢筋混凝土摇摆柱荷载-侧移力学模型，与有限元模拟结果对比验证合理性。开展轴压比和柱端强度分析，结果表明，在柱体抗损的前提下，单纯提高轴压比可提高柱体承载能力，但对侧移能力提升不显著；随着柱端材料强度提升，柱体承载力和侧移能力均显著改善，因此，采用柱端局部增强的方法改善钢筋混凝土摇摆柱工作性能具有可行性。     

基于概率密度演化方法的随机MSCSS构造研究

附加柱是巨子型有控结构体系（Mega-Sub Controlled Structure System,即MSCSS）中的关键因素,为了确定MSCSS的细部构造,本文对附加柱的连接方式进行了研究。针对四种附加柱的构造方案,利用切球选点方法,确定了91个不同材料参数及地震强度的随机工况,在此基础上进行了随机巨子型有控结构体系在随机激励下的动力特性分析;基于概率密度演化理论,对各种附加柱构造情况下MSCSS的位移、加速度、附加柱应力的均值和标准差进行对比,确定了最佳的附加柱构造方案。结果表明,释放MSCSS附加柱顶端的水平约束,可以有效地降低MSCSS的加速度、位移、附加柱应力响应,使MSCSS抗震性能的优越性得到充分的发挥。本文提出的MSCSS基本构造形式可为MSCSS的进一步深入研究提供依据。     

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。     

铅芯橡胶耗能器与油阻尼器组合耗能系统的振动台试验与分析

在一座三层单跨的钢结构模型中安装了铅芯橡胶耗能器及其和油阻尼器并联组合。对这两种耗能体系进行了振动台试验,以研究组合耗能体系的动力特性,检验其减振效果,试验结果表明：组合耗能体系对位移和加速度有良好的减振效果;在合适的刚度范围内,增加适当的阻尼可提高耗能器的减振效果,进行了数值分析,并与试验结果进行了比较,验证了本文提出的计算模型与方法的正确性。     

全非平稳地震作用下地下空间结构随机反应及可靠度分析

为研究全非平稳地震作用下地下空间结构的随机地震反应特征及可靠度分析方法，本文基于非均匀调制演变随机过程，建立了一种同时考虑强度非平稳和频率非平稳的全非平稳随机地震动输入功率谱分析模型；利用频响函数和脉冲响应函数间的傅里叶变换关系，推导出了适用于地下空间结构随机反应分析的响应功率谱计算表达式，可结合有限元方法对全非平稳地震作用下地下空间结构进行随机反应分析．基于穿越过程为泊松过程假定，采用分部积分方法，进一步推导出了适用于首次超越破坏可靠度计算的互相关函数解析表达式．然后，本文以上海某两层三跨地铁车站为工程背景，建立土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型，对全非平稳地震作用下地铁车站结构进行了随机反应分析和中柱可靠度分析．结果表明：在非均匀调制演变功率谱作用下，结构的响应功率谱也具有明显的演变特征；利用文中给出的互相关函数计算公式，可避开调制函数的数值微分，提高计算精度．     

一种耗能剪力墙结构地震反应的简化计算方法

本文用哈密顿原理建立了一种带竖缝耗能剪力墙结构在地震作用下的动力平衡方程，用Ritz法求解该方程，采用基于割线刚度和阻尼比等概率 幅值平均的等效线性方法求解竖缝中的耗能装置的刚度和阻尼比，并通过对一耗能剪力墙结构模型振动台试验的计算分析表明了该方法计算简单，且有较好的计算精度，为便于工程应用，对由耗能装置提供给结构的附加阻尼进行强行解耦，用振型分解反应谱的方法进行耗能结构地震反应的简化计算，并通过对一算例的计算分析表明了该简化方法具有一定的精度，该简化方法使对耗能结构的抗震计算与普通结构比较一致，该方法主要适用于小震作用下的耗能结构的抗震计算。     

基于块体单元离散模型的地铁车站爆炸破岩与防护研究

地铁已成为大、中型城市主要交通工具,然而地铁车站一直是恐怖爆炸袭击的重点对象,直接影响地铁运营安全,增强地铁车站结构防护抗爆能力至关重要.本文采用理论分析、数值模拟相结合的研究方法,利用单元内连续、单元间非连续的计算方法,构建块体单元离散弹簧动力学模型,建立地铁车站三维计算模型,模拟地铁车站内部爆炸状况,研究爆炸波空间传播和耗散规律及对构筑物破坏作用;分析低能爆炸作用下车站支柱混凝土、钢管护层混凝土和泡沫钢板夹芯护层混凝土抗爆性能,根据不同防护结构衰减应力波和吸能性能,优化地铁车站构筑物防护结构型式,提高车站抗爆能力,具有重要的实际应用价值.     

基于离散-连续耦合方法的地下结构在地震中破坏过程模拟

基于改进后的土体离散-连续耦合算法，对坂神地震中产生塌陷的神户大开地铁车站的破坏过程进行了数值模拟。通过改进适用于Lagrange乘子法求解的优化模型，来强化离散和连续模型在耦合边界上力的相容性，将改进后的算法嵌入离散-连续耦合动力模型。在耦合边界通过交换速度和力保证耦合模型的连续性，通过自振柱模拟和循环双轴模拟使离散区域土体的宏观动力属性与连续土体模型一致。土体离散-连续耦合方法可以从细观尺度描述重点考察区域土体和结构的破坏过程，并有效降低离散元的模拟规模。模拟得到的车站破坏形式与文献中现场情况非常接近，并且从定量角度与已有文献中基于连续体的模拟结果进行比较。     

大跨度空间网格结构多点输入反应谱计算方法的研究

根据大跨度空间网格结构的特点,忽略拟静力反应项与动力反应项的耦合项,提出了多点输入反应谱计算的简化方法.该方法所表示的结构地震动反应主要由拟静力响应和动力响应两部分组成,其中拟静力响应是由地面各点输入位移不一致引起的;动力响应部分主要是由结构在地面加速度作用下引起的,它在形式上与传统的一致输入反应谱保持一致,但考虑了多点输入的影响.结果表明,简化方法是可行的,它一方面减少了计算工作量,另一方面又保证了计算精度.