城市地铁抗震分析论文

-西南大学地下构造与隧道工程课程论文论文题目：城市地铁抗震分析目录【摘要】3一、研究背景3二、研究现状及特点3三、根本问题及分析方法探讨31研究地震波场输入机制以及建立地下构造与土体系统的物理力学参数数据库32研究地基土以及土体一构造接触面的动本构模型及参数33开展合理而实用的求解非线性边值问题及确定地下构造之上地震土压力的方法3四、地铁地下构造的抗震性能以及抗震设计的方法、对策及技术31抗震措施认识32研究地下构造抗震性能的主要途径33实例分析34拟动力试验及其抗震平安性。3五、完毕语3主要参考文献3. z.-城市地铁抗震分析【摘要】以浅埋式地铁车站为重点，简析高烈度地震环境下地铁地下构造抗震设计的五个根本研究课题及其研究现状，浅议采用现场调壹、材料和构造试验、动力离心模型试验和数值模拟等多种手段研究上述课题的思路及可行性，强调研究之目的是为了开展合理而实用的抗震设计理论与方法、开展经济而有效的抗震对策与技术、形成一套科学而系统的地铁地下构造抗震设计的规*体系与条例。【关键词】地铁，地震，抗震设计一、研究背景近20年来，地下空间开发利用成为众所关心的热点，地下构造越来越被广泛地采用。预计在21世纪，地下构造、地下空间开发将得到更大的开展。在我国，地下空间、地下构造开发利用的潜力还很大。据统计，到2016年止全国地铁工程将到达140个，长度为4394km，其中全国已建长期规划中的地铁工程到达110个,长度为26445 km几条海底隧道和过江隧道也正在积极筹建中。我国地处于欧亚大陆板块、太平洋板块、印度板块和菲律宾板块之间，地震活动非常频繁。1995年阪神地震中地铁构造的严重破坏给全世界人们一个警示地下构造的抗震非常重要。所以今年来在我国地铁抗震问题日益受到人们的关注。随着地下空间的开发，地下构造建立规模的日益扩大，加强地下构造的抗震能力及其平安性已成为亟待解决的首要问题。这是因为，1)长期以来，人们普遍认为地下构造的抗震性能较好，地震时偏于平安。但是近-十年来全球*围内发生的几次强烈地震特别是神户地震，地下构造均有明显破坏，以往的地下构造在地震时是平安的这一传统观点受到了质疑。2)地下工程一般采用无梁楼盖构造或框架构造，根据地下构造地震破坏的特点，这些构造抗水平地层运动的能力较弱，因此这预示着地下构造地震时存在易损性，有必要对现行的地下构造进展抗震校校。如果在设计和施工时不充分考虑地震荷载因素，一旦有强震发生，其后果不堪设想。3)由于地下工程担负着重要的社会功能，其投资本钱比地面构造高得多，且建于地下，一旦有裂缝或其它变形，将会发生渗水、漏水等现象，严重影响它的使用。4)下构造的震害现象不易于发现，检修不便。除此之外，其他一些学者也对地铁地下车站、区间隧道等地下构造抗震的相关方面进展了大量有益的探索二、研究现状及特点与一般的地面构造相比，地铁车站及隧洞等地下构造的使用周期更长，而且一旦发生破坏，除了破坏隐蔽和修复困难外，所带来的直接和间接损失也远大于一般的地面构造。因此对地铁地下构造的设防水准以及抗震分析与设计方法理应有更高的要求。但是，与地面构造丰富的震害记录相比，地下构造在历次地震中的震害记录较少、程度较轻，人们逐渐形成了这样一种观点，即地下构造在地震作用下所受破坏程度远比地面构造轻，而且认为地铁地下构造的地震反响与基岩输入加速度峰值关系很小，地下构造在地震作用下破坏的可能性不大，对地下构造的设计也只是仿照地面构造的做法。譬如，将水平地震作用模拟为按一定形式分布的惯性力荷载作用于构造之上，或者采用地基的静力刚度代替动力刚度来计算地下构造的地震反响。又如，在确定地震土压力荷载时，常用的方法有两种，一是根据地震烈度对土体的内摩擦角进展折减，二是采用物部一冈部拟静力地震土压力公式进展计算，这种设计方法具有明显的局限性。还有些专家认为，地铁地下构造可以不考虑抗震设计问题。实际上，地下构造一土体系统的震动灾变动力学行为是极其复杂的。在高烈度地震环境下构造与土材料均可能呈现出明显的非线性、弹塑性或者塑性性态：构造和土体之间的接触面处还可能出现局部脱开、滑动、错位、*闭等非连续变形现象；地下构造一土体系统的动力相互作用的过程多是强非线性的、三维的、速率效应和循环效应影响均很突出的，并伴随有构造材料、特别是土材料本身的物理力学性质的弱化；地下构造一土体系统的破坏通常是渐进性的、局部化的，相互关联的。所以，高烈度地震条件下地下构造与土体系统的动力学行为的评价与灾变预测，需要合理地考虑材料非线性、几何非线性、弹塑性、接触面、局部不连续、渐进破坏等现象。经过近几十年的努力，有关上述问题的理论和应用研究已经取得了非常大的进展。J。但是，由于问题本身的极其复杂性，特别是强烈地震环境下地下构造一土体系统的动力学行为及其灾变过程评价的理论及方法离能够真实地模拟工程实际，还有相当一段路要走。目前对已有的理论及方法的验证，还主要依靠灾后的现场调查、数值模拟以及十分简化的模型试验。对复杂的土体一地铁地下构造系统的动力学行为、过程和后果的预测与评价，还远不能满足工程建立的迫切需要。三、 根本问题及分析方法探讨为了提高我国在该领域的科技水乎，需要严密结合我国地铁地下构造工程中出现的科学技术问题，展开从根底、应用根底到实用技术的研究工作。具体地说，需要以我国大城市地铁工程为背景，以强震时易于受损的浅埋式大空间的地铁车站为重点，一方面对地铁地下构造抗震设计方法及其理论根底进展深入而系统的研究，另一方面在深入认识地下构造物一土体系统震动灾变动力学规律的根底之上开展经济而有效的抗震技术与工程措施，着重研究地铁地下构造的抗震设计中迫切需要船决的五个关键性科学技术问题：1)地震波场输入机制以及土体与地下构造系统的物理力学参数数据库；2)土与构造材料的动本构模型、土体构造接触面的动本构模型以及模型参数；3)可考虑非线性及大变形的动力分析模型，包括远场与近场的描述、无限地基的模拟；4)求解非线性边值问题以及确定地下构造之上地震土压力的方法；1研究地震波场输入机制以及建立地下构造与土体系统的物理力学参数数据库地下构造一土体系统的地震反响分析，通常需要先进展静力分析，计算出地震以前整个系统的静应力场；然后再进展动力分析，计算出由于地震动引起的动应力场。这样，地震过程中任一时刻总的应力场是由地震以前的静应力场和地震中的动应力场叠加而成的。所以，土体的初始物理力学状态及其与构造物的接触方式对地下构造一土体系统的动力反响影响非常大。目前已有的研究大多都集中于地下构造一土体系统的动力分析模型和求解方法以及地震波场的输入机制。土体多被简化为弹性或者粘弹性介质。由于地铁地下构造周围的土介质本身的物理力学性质极其复杂，具有碎散性、多相性、特别天然性(以及由此引起的构造性、非均匀性、各向异性以及时空分布变异性)，土层中地下水的分布十分复杂，加之震动孔隙水压力的影响，导致了构造物与土体所构成的系统在地震鼓励下的动力学行为也干差万别。因而，合理地评价地铁沿线场地的工程地质条件、合理地确定土体与地下构造系统的原位起始物理力学状态及其参数是至关重要的。可以通过对地铁沿线场地的典型工程地质条件深入细致的现场调查，通过对有代表性的现场土层进展试验研究，特别是通过对已有勘测试验资料的整理分析，在此根底上采用先进的工具和手段(譬如GIS信息系统平台及技术)，建立效劳于地铁设计的场地土层物理力学参数及地震动参数的数据库。2研究地基土以及土体一构造接触面的动本构模型及参数目前研究土与构造接触面动力学特性的主要途径有三种：其一是将接触面与土体视为一体，构成所谓的阻抗函数问题(也称作地基动力刚度问题)，通过理论推导或者数值计算求解地基的动力刚度或者阻抗，由此可得出接触面处的力和位移之间的关系；其二是提出了多种接触模型及分析方法。例如Penalty方法和Hybrid方法、动接触力模型以及节理单元等；其三是在接触面力学特性试验根底上直接建立接触面动本构关系。需要指出，地基的阻抗是频率相关的复函数，其实部为动力刚度、反映了地基士的刚度和惯性，其虚部是阻尼。阻抗函数问题研究的历史溯源于Iamb(1904)对点荷载作用下弹性地基振动问题的分析。此后的40多年来，对刚性根底板的各类振动问题进展了广泛的研究，但根本上都将士体视为弹性体或者粘弹性体。通过接触面动力学特性试验来再现和研究土体一构造接触面非线性动力学特性规律，是一个十分有效的途径。在试验根底上进展接触面动本构关系的数学描述方面，目前主要有三种方法：1)直接根据试验成果或者对结果进展一些修正，提出描述接触面力学特性的经历关系；2)根据试验结果修正已有的土动本构模型，以用于描述接触面动力学特性；3)在试验及机理分析的根底上，直接建立接触面动力特性的本梅模型。已有的接触面动本构关系的研究大都集中在描述其剪切特性上，但是接触面试验成果说明，合理的描述应该系统地考虑切向应力应变和法向应力应变及其耦合特性。3开展合理而实用的求解非线性边值问题及确定地下构造之上地震土压力的方法目前已经开展了多种求解构造一土体系统动力相互作用问题的方法。J，按求解域划分，有频域法和时域法，前者适用于线性问题，后者既适用于线性问题(模态综合)，也适用于非线性问题(逐步积分)；按求解方法划分，则有解析法，数值法，杂交法和集中质量法。数值法适用性强，得到了广泛应用，包括有限元法(FEM)，边界元法(BEM)，有限差分法(FDM)，离散元法(DEM)，嫁接法(Cloning Method)。杂交法是将两种或两种以上不同的方法耦合起来的求解方法，由于其取各方法之所长而应用广泛。耦合的方式包括解析法与数值法；近场用有限元，远场用边界元、无穷元、边界阻抗和半解析法和有限条法(在构造物或者介质的一个方向采用数值法，另一个或两个方向上采用解析法)等。集中质量法是将研究对象等效为质量一弹簧一阻尼系统的一种分析方法。已得到广泛应用。总的说来，近年来杂交数值模型开展很快，线性小变形动力相互作用问题的求解方法已到达相当高的水平，但非线性大变形问题却有很多问题尚待解决。解析法多是针对根底振动问题和地下构造物的动力反响分析提出的，能解决的问题十分有限，但与其它数值方法相耦合，仍能发挥重要的作用。有限元法、子构造法和集中质量法相对已比拟成熟，应用也十分广泛。同济大学周健教授采用有限单元法对*地铁车站的震动响应作了十分深入的研究J。在已有研究工作根底上，尚需针对地铁车站和区问隧道的具体特点，一方面改良和开展物理概念正确、数学模型严密、计算方法可靠的高精度的分析方法，另一方面还需注意开展计算模型简单、参数便于确定、易为工程师所承受的实用性强的分析方法，以满足具有不同抗震设计标准及要求的动力相互作用分析的实际需要。四、地铁地下构造的抗震性能以及抗震设计的方法、对策及技术1抗震措施认识目前我国对趣铁车站及区闻隧遂等她下构造抗震设计中构造构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下构造由于受到地层的约束，地震时构件不大可能出现交变内力，无须特别考虑抗震构造措施；当地下构造与地面建、构筑物合建时，才需按地面构造的抗震要求考虑构造措施。另一种观点认为根本可以照搬地面民用建筑构造的要求，例如，抗震设防烈度位7度城市，按8度采取相应构造措施，并将抗震等级提高一级。比拟看来，这两种观点都有一定的片面性，前者完全无视了地震对单建地下构造可能造成的破坏；后者又完全把地下构造等同予选上构造。实际上应该区别不同的围岩条件和施工方法，根据地下构造在地震作用下的受力和破坏2研究地下构造抗震性能的主要途径原型观测(包括现场震害调查和足尺试验)、构件试验、模型试验(主要是动力离心模型试验)和数值模拟。由于地震作用具有随机性、难以预测性以及构造物和周围土体及其所构成系统本身的极其复杂性，目前还设有哪一种手段能够完全的对地下构造动力反响进展全面而真实的解释和模拟。一般通过原型观测和模型试验结果来局部的或定性的再现实际现象、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；在此根底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。开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展计算分析，尽可能地再现和模拟其实际的动力反响，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构造抗震性能的较为合理的途径。所以，应该基于震害调查资料的分析、地铁车站中的中柱及柱端节点的拟动力试验、地铁车站及区间隧道与周围土体系统的动力离心模型试验和数值模拟，来综合研究地下构造的抗震性能。3实例分析 1995年日本阪神地震对地铁车站及区间隧道的破坏引起了土木工程界的广泛重视。神户市内有两条地铁线路，分别长为76km和227km，共有18座地铁车站。震害调查说明，其中有5座车站受到明显的破坏。它们大都位于烈度为7度的地区，建造时均采用了明挖法，断面构造形式为有中柱的多层或单层涵箱型板柱框架构造体系，原设计中没有考虑地震因索；车站的破坏主要发生在中柱上，出现不少裂缝、混凝土剥落、钢筋弯曲外露、甚至有不少柱整体被压垮；侧墙、顶板也受到不同程度的损害，且其损害程度与中柱密切相关；当中柱破坏较为严重时，侧墙和顶板就会出现很多裂缝，以至坍塌、断裂等。区间隧道的破坏形式主要是裂缝，其中多为侧墙中部的轴向弯曲裂缝；在接头处也有损害，表现为混凝土剥落、钢筋外露以及出现竖向裂缝。在破坏较严重处，中柱的上下两端也有损坏。有的车站的受害程度甚至超过了地面建筑物的破坏。地铁车站的震害说明，为了确保地铁构造的抗震平安性，在抗震设计中不仅要能正确地计算作用于地铁构造的外力及各种应力及其分布，也要合理地设计好构造本身。从我国及地区的地铁车站的构造形式来看，目前普遍采用的是多层或单层板柱框架构造体系，与阪神地震中发生严重破坏的神户地铁车站的构造形式一样。所以有必要对此类构造的抗震性能进展深入的探讨。阪神地震对地下车站的破坏4拟动力试验及其抗震平安性。土工动力离心模型试验是研究地铁车站及区间隧道构造与土体所构成系统抗震性能的一个有力工具。土工动力离心模型试验技术最突出的优点在于：能够使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理一样，从而得到十分广泛的应用，成为当前研究地下构造动力模型试验的主流。目前，动力离心模型试验技术在再现动力响应、观测物理机制、提醒客观规律、开展理论模型、检验评价方法以及比照设计方案等方面已经发挥出突出的优越性，被誉为土工构造研究进程中的一个里程碑数值模拟与物理模拟相结合是研究地下构造与土体系统抗震性能的一个有效途径。地下构造与土体系统地震反响问题的分析理论及方法几乎不可能通过实际地震现场来验证，采用土工动力离心模型试验结果来验证动力分析的理论及方法是目前最为有效的途径。如前所述，可首先采用动力离心模型试验技术模拟较为简单且典型的地铁车站或区间隧道与土体系统的地震响应，然后再采用数值分析对该系统震动响应的全过程进展模拟，并比照实测和计算的结果。当两者比拟接近时，在一定程度上说明数值分析方法是有效的。这样，可进一步采用该数值分析方法来计算各种典型的原型地铁车站及区间隧道在各种较为复杂土层及地震波场输人条件下的动力响应及灾变动力学行为，研究不同施工条件(明挖法、盾构施工、TBM施工及矿山法暗挖施工)下典型地铁区间隧道的地震响应及抗震性能，研究典型地铁车站抗震性能的构造优化设计方法，模拟和评价抗震对策的合理性及有效性，最终提出合理、实用和科学的地铁车站及区间隧道构造抗震设计的理论与方法，开展相应的人机对话功能强的抗震设计软件。在对地铁地下构造的地震响应和抗震性能深入研究的根底上，采用性能设计的根本思想和原理，研究和开展一个系统、合理、实用的地铁地下构造抗震设计的理论和方法。所谓性能设计是90年代构造抗震设计领域中一个带有革命性的新进展。它是将以保障人民的生命平安为根本目标的抗震设计，转变为在不同风险水平的地震作用下满足运用可靠性等不同性能目标的抗震设计，使其更趋合理。传统的以力系分析为根底的设计将转向以变形、耗能、损伤分析为根底的设计，从基于线性分析和确定性分析的设计转向以非线性分析、非确定性分析和以可靠性分析为根底的设计。性能设计的根本思想和原理同样也适用于地铁地下构造的抗震设计。首先需要开展与性能设计相协调的地铁地下构造抗震设计的方法，其次需要进一步研究地铁地下构造的抗震平安的性能目标及定量化评价指标体系、非线性灾变动力学行为的非确定性分析理论与方法以及不同地震风险水平下抗震性能的评价方法。五、完毕语地铁地下构造是重要的生命线工程，造价高，使用周期长，一旦发生破坏，修复困难，直接和间接经济损失巨大。目前我国地铁建立已经进入高潮，其中很多地铁工程建立在高烈度地区，同时我国缺少完善的地铁地下构造抗震分析方法和有效的抗震构造措施，因两开展深入系统的理论分析、试验研究及数据模拟，开展合理而可靠的地下构造抗震设计理论和方法，开展经济而有效的抗震技术与工程对策，完善地下构造抗震构造措施，确定优良的地下构造抗震体系，均具有重要的辩学意义同时具有重要豹工程应用价值。主要参考文献1陈国兴岩土地震工程学M : 科学，20072佘芳涛，邵生俊，杨素新可液化地层隧道围岩的动力响应及液化区开展分析J地震工程与工程振动，2011，31( 3) : 11-173庄海洋，龙慧，陈国兴，等可液化地基中地铁车站周围场地地震反响分析J岩土工程学报，2012，34( 1) : 81-884川岛一彦地下构造物抗震设计M鹿岛出版杜，19955*建民，*嘎土体与构造物动力相互作用研究进展c综合报告，第四届全国青年岩土力学与工程学术会议论文集：岩石力学与工程学报，2001，增刊1，22：8548656*建民，王建华土动力学和土工抗震c综合报告，中国土木工程学会第八届全国土力学及岩土工程学术会议论文集，1999，万国：44557*楚汉构造一地基动力相互作用问题C构造与介质相互作用理论及其应用：河海大学出版社。1993：2432668*建民地下挡土类构造物地震土压力理论及实用方法研究c中国科学技术协会第46届青年科学家论坛论文集，20009*在明市区小区域地震影响R市地震地质会战专题成果，198410*在明等地震区的场地与地基根底M：，199211胡平地下铁道八(王坟)通(州区)线建立工程场地地震平安性评价报告R-市地震局震害防御与工程地震研究所，199912胡平抗震减灾适用技术分析R市地震局震害防御与工程地震研究所，1998-13胡平西直门一东直门城市地铁线路场地地震平安性评价报告R市地震局震害防御与工程地震研究所，2000. z.