了得網工業技術_地鐵地下結構抗震

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地下鐵道,地下工程,抗震設計

內容簡介

《地鐵地下結構抗震》是國內**部專門研究地鐵地下結構抗震的學術專著，集作者近二十年在地鐵地下結構抗震領域的理論分析、數值模擬、模型試驗、震害對比及工程實踐方面的研究成果於一體，較為繫統地總結和闡述了作者在地鐵地下結構地震反應的影響因素及規律、損傷破壞模擬模型和方法、破壞機理與失效模式、抗震設計理論與方法及工程應用等方面取得的繫列創新性成果，並較完整地介紹了該領域的研究現狀。《地鐵地下結構抗震》構建了較為繫統的地鐵地下結構抗震設計理論與方法，內容嚴謹且完整，各章內容既有聯繫又相對獨立，具有重要的學術價值和工程應用參考價值。

目錄
序
前言
第1章地下結構抗震概述 1
1.1 引言 1
1.2 地下結構震害特征 5
1.3 地下結構抗震研究方法與現狀 8
1.3.1 地下結構動力模型試驗方法 8
1.3.2 地下結構地震反應計算方法 18
1.4 本書內容安排 25
參考文獻 28
第2章地下結構鄰近土體的動力學特性 36
2.1 引言 36
2.2 土體的動剪切模量與阻尼比 37
2.2.1 小應變動剪切模量 37
2.2.2 動剪切模量和阻尼比與剪應變幅的經驗關繫 39
2.3 土的動應力-應變關繫特征及其物理模型 44
2.3.1 土的動應力-應變關繫特征 44
2.3.2 土動力學特性的物理模型 47
2.4 土的常用黏彈性動力學本構模型 49
2.4.1 雙曲線模型 49
2.4.2 修正Davidenkov模型 52
2.4.3 修正Matasovic模型 58
2.4.4 修正Davidenkov模型與Matasovic模型的比較 59
2.5 軟土黏彈塑性動力學本構模型 61
2.5.1 黏塑性記憶型嵌套面本構模型的建立 62
2.5.2 黏塑性記憶型嵌套面本構模型的驗證 67
2.6 飽和砂土液化大變形動力學本構模型 69
2.6.1 砂土液化大變形本構模型的建立 69
2.6.2 砂土液化大變形本構模型的驗證 73
參考文獻 76
第3章土與地下結構非線性動力相互作用法 79
3.1 引言 79
3.2 土與地下結構動力相互作用的基本原理 79
3.3 混凝土非線性動力學損傷本構模型 82
3.3.1 混凝土動力損傷變量的概念 83
3.3.2 模型屈服函數與流動法則 84
3.3.3 混凝土動力損傷模型參數的確定 85
3.4 土與地下結構的動力接觸 86
3.4.1 接觸面的動力學行為特征 87
3.4.2 動力接觸問題的數值算法 88
3.4.3 動力接觸效應對地下結構地震反應的影響 89
3.5 相互作用體繫的幾何非線性 96
3.6 計算模型地基的人工邊界 96
3.7 地震基岩面的地震動輸入 102
3.7.1 基岩地震動輸入 102
3.7.2 輸入地震動的選取 103
3.7.3 代表性的地震記錄簡介 104
3.8 非線性動力相互作用平衡方程的求解 108
3.8.1 基於隱式算法的動力平衡方程積分法 108
3.8.2 基於顯式算法的動力平衡方程積分法 110
3.8.3 動力相互作用體繫兩種算法的對比 111
參考文獻 117
第4章土-地下結構體繫振動臺試驗方法與技術 120
4.1 引言 120
4.2 多介質耦合模型試驗體繫相似比設計 121
4.2.1 相似比量綱分析方法 121
4.2.2 土-地下結構相互作用體繫相似比設計原則 122
4.3 振動臺模型土箱的研制與測試 123
4.3.1 剛性模型土箱的研制與試驗驗證 123
4.3.2 疊置柔性土箱的研制與試驗驗證 128
4.4 模型地基和模型結構制作技術 136
4.4.1 模型地基制作技術 136
4.4.2 模型結構制作技術 137
4.5 模型試驗動力測試技術 139
4.5.1 動態信號采集繫統的研制 139
4.5.2 非接觸性靜、動態位移測試技術 142
4.5.3 光纖Bragg光柵應變測試技術 153
參考文獻 157
第5章兩層三跨框架式地鐵地下車站結構抗震研究 159
5.1 引言 159
5.2 軟土場地兩層三跨地鐵地下車站結構振動臺模型試驗 160
5.2.1 模型試驗概況 160
5.2.2 模型試驗結果與分析 164
5.3 軟土場地兩層三跨框架式地鐵地下車站結構地震反應數值模擬 167
5.3.1 地下車站結構的地震反應特征 167
5.3.2 軟弱層埋深對地下車站結構地震反應的影響 177
5.3.3 軟弱層厚度對地下車站結構地震反應的影響 185
5.4 可液化場地兩層三跨框架式地鐵地下車站結構振動臺模型試驗 192
5.4.1 模型試驗概況 192
5.4.2 模型試驗結果與分析 195
5.5 可液化場地兩層三跨框架式地下車站結構地震反應數值模擬 210
5.5.1 計算模型 210
5.5.2 車站結構周圍地基的液化特性 210
5.5.3 液化場地車站結構的上浮行為及其影響 212
5.5.4 液化場地車站結構的地震反應特征 213
5.6 覆蓋層厚度對地鐵地下車站結構地震反應的影響 216
5.6.1 覆蓋層厚度對車站結構加速度反應的影響 217
5.6.2 覆蓋層厚度對車站結構側向變形的影響 219
5.6.3 覆蓋層厚度對車站結構應力反應的影響 220
5.7 側向地連牆對地鐵地下車站結構地震反應的影響 221
5.7.1 數值計算方法 222
5.7.2 地連牆對車站結構底部地震動的影響 222
5.7.3 地連牆對車站主體結構側向變形的影響 224
5.7.4 地連牆對車站結構頂底接觸面摩擦剪力的影響 225
5.7.5 地連牆對車站結構地震破壞模式的影響 227
5.8 兩層三跨框架式地鐵地下車站結構抗震設計建議 229
5.8.1 軟土場地地下車站結構抗震設計建議 229
5.8.2 可液化場地地下車站結構抗震設計建議 230
參考文獻 231
第6章三層三跨框架式地鐵地下車站結構的抗震研究 233
6.1 引言 233
6.2 軟弱場地三層三跨框架式車站結構振動臺模型試驗 234
6.2.1 模型試驗設計 234
6.2.2 振動臺試驗結果與分析 237
6.2.3 模型試驗與數值分析結果的對比 248
6.3 軟土場地地下車站結構地震反應數值模擬 257
6.3.1 計算模型 257
6.3.2 車站結構的地震損傷及應力 258
6.3.3 車站結構的變形 262
6.3.4 車站結構加速度反應 264
6.4 可液化場地地下車站結構地震反應模型試驗 266
6.4.1 模型試驗設計 266
6.4.2 非破壞性振動臺試驗的結果與分析 270
6.4.3 破壞性振動臺試驗的結果與分析 298
6.4.4 模型試驗與數值模擬的結果對比 305
6.5 不同場地條件下模型試驗結果的對比 320
6.5.1 地基加速度反應的對比 320
6.5.2 地下車站結構側向變形的對比 322
6.5.3 地表震陷特征 322
6.6 三層三跨框架式地下車站結構抗震設計建議 323
6.6.1 軟土場地地下車站結構抗震設計建議 323
6.6.2 可液化場地地下車站結構抗震設計建議 324
參考文獻 324
第7章特殊結構形式的地鐵地下車站結構抗震研究 326
7.1 引言 326
7.2 三拱立柱式地下車站結構的振動臺模型試驗 327
7.2.1 振動臺模型試驗設計 327
7.2.2 振動臺模型試驗結果與分析 332
7.3 三拱立柱式地下車站結構地震反應的數值模擬 354
7.3.1 計算模型 354
7.3.2 車站結構的地震損傷及應力 356
7.3.3 車站結構的水平向加速度反應 358
7.3.4 車站結構的水平向相對位移反應 359
7.4 上下層不等跨框架式地下車站地震反應的數值模擬 363
7.4.1 計算模型 363
7.4.2 車站結構的側向位移反應 365
7.4.3 車站結構的應力反應 367
7.4.4 車站結構的地震損傷過程 369
7.4.5 車站結構側牆的動土壓力作用 372
7.5 含中柱支撐夾層板框架式地下車站結構地震反應的數值模擬 373
7.5.1 計算模型 373
7.5.2 車站結構的側向變形 374
7.5.3 車站結構的應力反應 375
7.5.4 車站結構的加速度反應 378
7.5.5 車站結構的損傷過程 379
7.6 特殊結構形式地鐵地下車站結構抗震設計建議 380
7.6.1 三拱立柱式地下車站結構抗震設計建議 380
7.6.2 上下不等跨數地下車站結構地震反應規律與抗震設計建議 380
7.6.3 含中柱支撐夾層板地下車站結構抗震設計建議 381
參考文獻 382
第8章地鐵區間隧道地震反應的數值模擬 384
8.1 引言 384
8.2 雙線水平平行地鐵區間隧道的抗震分析 385
8.2.1 計算模型 385
8.2.2 區間隧道水平向位移和加速度反應 389
8.2.3 區間隧道的內力反應 394
8.3 雙層豎向重疊隧道的抗震分析 406
8.3.1 計算模型 406
8.3.2 隧道結構的變形 407
8.3.3 隧道的應力反應 410
8.3.4 隧道結構的水平向加速度 411
8.4 交叉隧道的抗震分析 413
8.4.1 計算模型 413
8.4.2 交叉地鐵隧道的相對水平位移反應 414
8.4.3 交叉地鐵隧道交叉段的應力反應 417
8.4.4 交叉地鐵隧道交叉段的水平向加速度反應 422
8.5 區間隧道抗震設計建議 423
8.5.1 水平雙線平行隧道抗震設計建議 423
8.5.2 雙層豎向重疊隧道抗震設計建議 424
8.5.3 交叉隧道抗震設計建議 425
參考文獻 425
第9章地鐵地下結構抗震設計的簡化分析方法 427
9.1 引言 427
9.2 地震繫數法 427
9.2.1 地震繫數法原理 427
9.2.2 地震土壓力計算方法 428
9.3 自由場變形法 430
9.3.1 自由場變形法原理 430
9.3.2 自由場變形的確定方法 431
9.3.3 計算實例 434
9.4 土-結構相互作用繫數法 435
9.4.1 土-結構相互作用繫數法基本原理 435
9.4.2 環形隧道的橫向變形和內力 435
9.4.3 環形隧道的橫向變形與內力 437
9.4.4 矩形隧道的橫向變形和內力 440
9.4.5 計算實例 445
9.5 反應位移法 452
9.5.1 反應位移法原理 452
9.5.2 隧道和地下車站橫向地震反應的反應位移法 453
9.5.3 隧道縱向地震反應的反應位移法 456
9.5.4 基於PROSHAKE和ABAQUS軟件的反應位移法 457
9.5.5 反應位移法中自由場地側向位移反應特征 458
9.5.6 計算實例 464
9.6 反應加速度法 467
9.6.1 反應加速度法原理 467
9.6.2 基於PROSHAKE和ABAQUS軟件的反應加速度法 467
9.7 Pushover法 468
9.7.1 水平荷載分布形式 469
9.7.2 目標位移的確定 469
9.7.3 地下結構Pushover法計算步驟 470
9.7

在線試讀

第1章地下結構抗震概述
1.1 引言
改革開放以來，我國城市規模和經濟建設飛速發展，城市化進程日益加快，2015年我國城鎮化率已達到56.1%，城市人口急劇增加，100萬人口以上的大城市已超過140個，其中1000萬以上的已達到6個，約占全世界的1/4。這些大城市一天的客運高峰期間，旅客高度集中，流向大致相同，低運量的交通工具已遠遠不能滿足民眾出行的需要。而發展多層次、立體化、智能化的軌道交通體繫，是從根本上改善城市交通需求的重要戰略措施之一。國際經驗表明，當一個國家的城市化率超過60%時，城市軌道交通將實現高速發展以解決大城市交通擁堵問題，從而拉動城市軌道交通建設投資迅速增加。據中國城市軌道交通協會發布的《城市軌道交通2015年度統計和分析報告》顯示，2015年末，中國大陸地區共26個城市開通城軌交通運營，共計116條線路，運營線路總長度達3618km，其中地鐵2658km，其他制式城軌交通規模960km。2015年度新增運營線路長度445km，在建線路總長4448km。2016年5月，國家頒布的《交通基礎設施重大工程建設三年行動計劃》表明：未來三年我國總新增城市軌道交通規劃裡程2385km。至2016年8月，共有45個城市規劃獲批，規劃規模近5000km。新建、規劃線路規模大、投資增長迅速，建設速度持續加快。城市軌道交通的快速發展必將為解決我國城市交通擁堵問題做出重要的貢獻。我國主要城市的城市軌道交通規劃圖如圖1.1所示。
(a)上海地鐵規劃圖(2030版)
(b)南京地鐵規劃圖(2050版)
(c)北京地鐵規劃圖(2020版)
(d)廣州地鐵規劃圖(2020版)
(e)深圳地鐵規劃圖(2040版)
圖1.1 我國部分城市地鐵建設近期規劃圖
然而，我國位於世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發育。20世紀以來，中國共發生Ms6.0級以上地震近800次，1950～2010年60年間共發生Ms7.0級及以上地震65次［1］；據國家地震科學數據共享中心網站數據，2011~2016年期間發生Ms7.0級及以上地震3次。強地震遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區以外所有的省（自治區、直轄市）。根據我國強地震震中分布圖(見圖1.2)，可以看出，我國已建和將建城市軌道交通的絕大部分城市都位於不同的地震帶上或附近。例如，南京、合肥、濟南、大連和瀋陽等大城市都位於郯城—營口地震帶上或附近，自有記載以來到2015年，該地震帶共發生Ms4.7級以上地震60餘次，其中Ms7.0~7.9級地震6次(如1969年渤海Ms7.4級地震、1974年海城Ms7.4級地震)，Ms8.0級以上地震1次(1668年山東郯城Ms8.5級地震)；北京、天津、石家莊、西安和鄭州等大城市都位於華北平原地震帶上或附近，據統計至2013年，該地震帶共發生Ms4.7級以上地震140多次，其中Ms7.0~7.9級地震5次，Ms8.0級以上地震1次；福州和廈門等城市都為華南地震區，這裡歷史上曾發生過1604年福建泉州Ms8.0級地震和1605年廣東瓊山Ms7.5級地震；蘭州、寧夏、成都和昆明等城市都位於青藏高原地震區，據統計至2013年，該地震帶Ms8.0級以上地震就發生過9次；Ms7.0~7.9級地震發生過78次，均居全國之首。其中，2008年汶川Ms8.0級地震和2010年玉樹Ms7.1級地震就位於該地震區的喜馬拉雅地震帶上。據統計，2000～2015年，我國發生Ms7.0級以上大地震就多達11次。地震給我國造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。
圖1.前19年至2015年12月中國及鄰區震中分布圖
圖中數字表示震級，括號中數據表示地震次數，甘肅省地震局王蘭民研究員和李曉峰副研究員編制
已有的地震震害表明［2～4］：在強地震發生時，現有的地鐵結構並不安全。在地鐵地下結構的震害方面，如1985年墨西哥Ms8.1級地震中，建在軟弱地基上的地鐵側牆與地表結構相交部位發生分離破壞現像；特別是1995年Ms7.2級日本“阪神地震”對神戶市內地下結構造成了有史以來*嚴重的破壞，地鐵、地下停車場、地下隧道、地下商業街等大量地下工程均發生嚴重破壞，*引人注意的是地鐵車站的破壞，地震中共有5個地鐵車站和約3km的地鐵區間隧道發生破壞，其中大開地鐵車站的破壞*為嚴重，一半以上的中柱完全坍塌，導致頂板坍塌破壞和上覆土層的沉降，**沉降量達2.5m之多。據神戶高速鐵道公司報道，不計高架橋結構破壞造成的損失約為30，修復大開地鐵站需要10，修復地鐵區間隧道約18。在地鐵高架結構的震害方面，1995年1月17日在日本阪神發生的Ms7.2級地震中，神戶市有635m的高速高架橋梁倒塌，包括大阪神戶高速道路、名神高速道路、第二神明線、灣岸線等，在同一地區的鐵路線被破壞的有山陽新干線、東海道本線(JR神戶線)、阪神電鐵神戶線和阪神電鐵本線，其中山陽新干線部分區段高架橋梁發生了嚴重的多跨連續落梁和側向倒塌破壞［5］，同時，2004年10月23日發生在日本新潟地區的Ms6.8級地震再次造成上越新干線列車脫軌等地震破壞，這些地震也打碎了日本新干線安全可靠的神話。
地鐵地下結構的震害教訓說明［6］：隨著城市地下空間的大規模開發和利用，在大城市發生強地震時，由於地鐵地下結構周圍地基的變形可能會很大，從而可能導致地鐵地下結構的一些薄弱環節發生嚴重的震害，給地鐵地下結構的整體安全造成嚴重的影響；同時，由於地鐵延伸範圍寬廣，地鐵沿線場地條件復雜多變，主要包括場地土類的差異、砂性土液化、軟土震陷、塌陷、構造地裂和岸邊滑移等。這些因素直接影響地震時地鐵地下結構遭受的地震作用大小和方式，從而對地鐵地下結構的破壞形式也有著重要影響。以往對地下管道的震害調查表明：場地條件對地下管道的震害影響很大，在烈度較低的軟弱場地地下管道的震害率甚至大於烈度較高的堅硬場地地下管道的震害率。鋻於地鐵是重大的地下工程，其結構的構造形式和材料都比地下管線復雜得多，因此，對復雜場地條件下地鐵地下結構的抗震整體穩定性研究顯得尤為必要。
近十年來，地下結構的抗震已引起眾多學者的重視，在地下結構的地震破壞機理、破壞模式、抗震性能和分析方法等方面都取得了明顯的研究進展，我國於2014年頒布了《城市軌道交通結構抗震設計規範》(GB 50909—2014)。但是，由於對現行結構形式的大型地鐵地下結構抗震性能的基礎研究開展還不夠，資料積累不足，對現有結構形式的大型地下結構抗震性能與抗震設計分析方法等都還缺乏繫統的研究。因此，也造成現有規範中對地下結構的抗震設防要求和抗震性能要求，並未能充分反映現有結構形式的大型地下結構地震反應特征和地震破壞模式。其建議的地下結構抗震分析方法也是基於已有對小型簡單地下結構建立的分析方法，是否適用於城市地鐵大型地下結構的抗震設計與分析還有待進一步研究和論證。因此，仍需繼續深入開展大型地下結構地震中不同工作性態、地震破壞模式和實用抗震分析方法等科學問題的研究，為現有淺埋大型地下結構的抗震設計和相關規範的修訂提供科學依據與技術保障。
1.2 地下結構震害特征
曾有多個研究報告報道過大地震下城市地下結構的破壞實例。例如，美國土木工程學會報道了聖費爾南多地震對洛杉磯地區地下結構破壞的實例［7］；日本土木工程學會對沉管隧道地震損傷特性進行了總結［8］；Sharma和Judd［9］、Hashash等［10］、Kontogianni和Stiros［11］對地下結構震損進行了大量調查與總結。陳國興等［12］也曾對城市地下結構震害進行了較繫統的總結。震害經驗表明，地下結構的震害機理可以歸納為：①地下結構振動受到周邊土體影響，一般不表現自振特性。②地基土變形是地下結構震害的主要誘因。③地下結構沿線地質條件變化較大區域震害嚴重，特別是地下結構穿越不良地質帶區域，如松散砂土層、軟土層、斷層破碎帶等；震級大、離震中或斷層近、峰值加速度大、強震持續時間長，地下結構的破壞更為嚴重。例如，Power等［13］發現地表峰值加速度不大於0.20g，地震動僅會引起隧道的輕微損壞。④地下結構的地震性能與其幾何形狀、埋深、剛度、施工工藝有關，淺埋隧道比深埋隧道更易受地震損壞。
1985年墨西哥城西南大約400km處的太平洋海岸發生Ms8.1級地震，造成墨西哥城停水、停電，交通和電信中斷，使墨西哥城全市陷入癱瘓，這是墨西哥城的地鐵繫統采用明挖法施工建造的，101個地鐵車站中有13個停止使用，地鐵隧道和車站結構連接處發生輕微裂縫，軟土地基上的地鐵車站側牆與地表結構相交部位發生分離破壞現像；一段建在軟弱地基上的箱型結構地鐵區間隧道，在地下段向地上段的過渡區內接縫部位出現錯位。墨西哥城的這次地震災害教訓極其深刻，其原因在於墨西哥城是由湖泊沉積而成的封閉式盆地，災害主要集中於覆蓋層厚150～300m的市中心區域。地震專家利用地震的強地面運動記錄和脈動記錄，給出了墨西哥城湖積層地面運動長周期放大作用的定量結果［14，15］：湖積層0.2～0.7Hz頻帶的地表地震動比大學城丘陵區的地表地震動放大8～50倍，地震波在盆地內多次反射和折射，並與盆地內的松軟沉積層發生共振，使得湖積層的地面地震動峰值加速度比丘陵區的放大4～5倍，達到0.09g～0.17g（g為重力加速度，下同）。
1995年Ms7.2級日本阪神地震中，神戶市的地面峰值加速度普遍在0.5g以上，導致神戶市的地鐵車站、地下隧道、地下綜合管廊等大量地下工程發生嚴重破壞［16］。神戶市高速鐵道的大開站、長田站及其之間的隧道，神戶市營鐵道的三宮站、上澤站、新長田站、上澤站西側的隧道及新長田站東側的隧道均發生嚴重破壞(見圖1.3)，這是首次廣泛報道的地鐵主體結構出現嚴重地震震害。其中，大開車站地震震害*為嚴重，車站結構為外部尺寸高7.17m×寬17m×長120m並帶有中柱的混凝土箱型結構，上覆土層厚4.8m，其破壞段沿縱向100m，35根鋼筋混凝土柱中有30根被壓碎，鋼筋被壓彎鼓出外露，箍筋完全破壞，導致頂板坍塌和上覆土層沉降，側牆出現水平裂縫和斜裂縫。柱子的破壞有兩種類型：一是柱腳被壓碎鼓脹，二是柱子與頂板連接處被壓碎鼓脹，這也是完整記錄到的不跨越活斷層而在地震作用下完全倒塌的地下結構震害實例。與大開車站平行的28號國道在長90m×寬23m範圍內發生坍陷，**沉降量超過2.5m，頂板中線兩側2m範圍內，縱向裂縫寬150～250mm。幾乎全線都在液化土中的綜合管廊2號線的橫截面主要在角部產生裂縫，底層中壁上下端有貫通裂縫，內部許多結構接縫錯位或分開，內壁混凝土剝落，管道進水，水深10～20cm，積水長度150m左右。多位學者開展了大開車站的倒塌機理研究，Iida等［4］認為：頂板和底板間的相對位移對中柱產生很大的水平向剪力，頂板上覆土體對結構產生附加的慣性力作用。Huo等［17］認為，由於車站結構的跨度大、大的剪切荷載和大的豎向荷載的共同作用導致中柱的粉碎性剪切破壞。杜修力等［18］研究了大開地鐵車站地震破壞機理，並認為：強震作用下淺埋結構的上覆土體先剪切破壞並喪失抗剪能力；再在豎向地震作用下，其慣性力作用於車站結構頂板，與側壁土體引起的剪切荷載的耦合作用，使車站結構中柱壓剪破壞，繼而結構頂板折斷，*終結構整體倒塌。
2004年日本新潟地區發生Mw6.8級地震，城市供水繫統大規模損壞，上越新干線8.6km的鐵路隧道嚴重受損，鋼軌鼓曲、列車脫軌(見圖1.4)，東京通往新潟的關越高速公路與小千谷交流道間的隧道發生陷落［19，20］。
2008年汶川Ms8.0級地震中，成都的地震烈度僅為6度，但按7度抗震設防的成都地鐵有4個地下車站的主體結構發生局部損壞，車站牆體出現多條裂縫，裂縫寬0.1～0.5mm，長1.2～5.0m，部分裂紋出現滲水

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