地下结构的抗震安全评价

地下结构的抗震安全评价试讲人：王峥峥西南交通大学大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology地下结构在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。地下空间的开发利用是城市现代化建设中的重要发展方向。我国地处世界上最活跃的两大地震带（环太平洋地震带和欧亚地震带）影响的地区，是世界上多地震国家之一。全国除个别省之外，都发生过6级以上的地震。地震设防区域(地震基本烈度6度以上地区)的面积占全国国土面积60%以上。地震震源浅，强度大。我国450个城市中，位于地震区的占74.5%；有一半位于地震基本烈度7度及以上地区。28个百万以上人口的特大城市，有85.7%位于地震区；50~100万人口的大城市和20～50万人口的中等城市80％位于地震区。地下结构具有隐蔽性，震害不易发现，修复困难，破坏后果影响大等特点，其抗震安全性受到广泛关注。但地下结构抗震设计方法还缺乏比较深入的研究。大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology1.地下结构的地震震害多次大地震中都有不少地下结构遭到震害。地下结构的地震震害有两种类型:(1)由地震波传播引起(地震波引起的地下结构的轴向和弯曲变形);(2)地震造成的地基变形(断层错动、滑坡、液化)所引起。后一种震害应在地下结构选线布置时设法避免或对地基采取加固措施。地下结构的抗震设计主要考虑前一种震害。大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnologyDowdingC.H.统计了美国加州、阿拉斯加州以及日本等71座岩石地基上由于地震波动产生的隧洞震害事例。洞径大部分D＝3~6m；地震震级M=5.8~8.3。阪神地震中高速地铁车站震害唐山地震中地下巷道震害2.地下结构地震响应的特点大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT地下结构受周围岩土介质的约束，其地震响应特点和地面结构有明显差别。输入(地震波)K、C、M输出(结构响应)如以入射地震波作为输入，结构响应作为输出的话，则地面结构犹如一个强滤波系统，随着结构刚度、阻尼和质量惯性分布的变化，输出的结构响应的频率成分和振动的持续时间与入射地震波相比，都将发生很大的改变。地下结构则不同，由于约束作用，只要地下结构的尺寸与地震波长相比较小的话，响应波形与入射地震波形相比，将不发生明显变化。地下结构对地震波场扰动的影响很小。地下结构地震响应的基本方程gbgbbtbtigbbbbbiibiitbtibbbiibiitbtibbiiUSUUSKKKKUUCCCCUUMM0}]{[}]){[]([gbgbbtgbbbUSUSK}]{[}]){[][]([fbfbbtebbfbbbUSUSSKgbgbbtbtigbbbbbiibiiUSUUSKKKK0简写为地下结构抗震分析的关键是求解半无限空间地基介质的动力阻抗矩阵或(是激励频率的函数)以及地下结构地震动输入。或为动力刚度，含刚度和阻尼的影响，一般为复值，而且是频率的函数。工程设计上常常采用简化的方法。][gbbS][fbbS}{fbU][gbbS][fbbS3.隧洞结构的计算模型对盾构隧道介绍日本早稻田大学小泉淳教授所发展的村上－小泉模型。环与环、管片与管片之间的相互连接的模拟。管片与管片之间－主要采用回转弹簧(弹簧刚度相当于刚性连接，弹簧刚度等于零相当于铰接)，抵抗相对转动；环与环之间－主要采用剪切弹簧，抵抗相对错动；周围土体抗力－地基弹簧(横向)、支点弹簧(轴向)。大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT盾构隧道计算模型法线方向的地基弹簧Kgr切线方向的地基弹簧Kgt环间切线弹簧Kt环间法线弹簧Kr回转地基弹簧Kθ梁一次衬砌（管片）法线方向的地基弹簧Kgr切线方向的地基弹簧Kgt环间切线弹簧Kt环间法线弹簧Kr回转地基弹簧Kθ多层衬砌间的法线方向的弹簧Ky二次衬砌多层衬砌间的切线方向的弹簧Kx一次衬砌（管片）有二次衬砌的计算模型结构计算模型化No结构单元计算模型1一次衬砌（管片）二次衬砌曲线梁，直线梁2管片接头法线，切线，回转弹簧3环向接头法线，切线弹簧4一衬，二衬间接头法线，切线弹簧5地基弹簧法线，切线弹簧（局部坐标系）X方向，Y方向弹簧（全局坐标系）6支点弹簧法线，切线，回转弹簧（局部坐标系）X方向，Y方向，θ方向弹簧（全局坐标系）管片接头单环实验三环错缝拼装实验地基弹簧盾构隧道设计规范（日本）振动实验700300140100601009003@32=96橡胶环多地层（硅胶）一次衬砌t=4整缝拼装二次衬砌t=4隔离层错位拼装Unit:mm振动实验模型地基模型隧道埋设后的模型地震作用下的计算模型慣性力周面せん断力地盤変位地盤ばね使用梁弹簧模型（村上－小泉法）的SDM计算模型地基变形剪切力地基弹簧SeismicDeformationMethod输入正弦波的实验值与计算值比较弯矩，轴力3.02.01.00-1.0-2.0弯矩N・m-300-200-1000100200实验值梁弹簧模型接头位置轴力　N3.62.41.20-1.2-2.4弯矩N・m-450-300-1500150300实验值梁弹簧模型接头位置轴力　N整缝拼装错缝拼装4503001500-150-300实验值　无接头实验值整缝拼装实验值　错缝拼装动FEM　无接头动FEM　整缝拼装梁弹簧模型　无接头梁弹簧模型　整缝拼装梁弹簧模型　错缝拼装接头位置N轴力3.62.41.20-1.2-2.4实验值　无接头实验值整缝拼装实验值　错缝拼装动FEM　无接头动FEM　整缝拼装梁弹簧模型无接头梁弹簧模型整缝拼装梁弹簧模型错缝拼装接头位置N・m弯矩输入正弦波的实验值与计算值比较弯矩，轴力输入ELCENTRO波0.90.60.30-0.3-0.6弯矩N・m-300-200-1000100200实验值动FEM接头位置轴力N一次衬砌0.90.60.30-0.3-0.6弯矩N・m-300-200-1000100200实验值动FEM接头位置轴力N二次衬砌ELCENTRO整缝拼装输入神户波0.450.300.150-0.15-0.300.450.300.150-0.15-0.30弯矩N・m-75-50-2502550实验值动FEM接头位置轴力N-75-50-2502550实验值动FEM接头位置轴力N整缝拼装神户弯矩N・m一次衬砌二次衬砌输入ELCENTRO波弯矩，轴力－时间关系-0.4-0.200.20.400.511.52弯矩(N・ｍ）实验值计算值时间(s)-0.4-0.200.20.400.511.52弯矩（N・ｍ）実験値解析値時間(s)EL　CENTRO　二次覆工EL　CENTRO　一次衬砌EL　CENTRO　二次衬砌-100-5005010000.511.52轴力(N）実験値解析値時間(s)-100-5005010000.511.52轴力（N）実験値解析値時間(s)EL　CENTRO　一次衬砌EL　CENTRO　二次衬砌一次衬砌，二次衬砌4.隧洞与周围岩土间动力相互作用的模拟4.1工程上的简化图形大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT4.2地下结构与围岩相互作用求解方法][gbbS为时空耦合，同时为激励频率的函数。反映能量向无限域的扩散[S]。周围岩土介质对地下结构的作用力频域：时域：}]{[)}({uSRtdutStR0}]{[)}({研究者提出了大量的计算模型。另一种处理办法是采用局部人工边界，进行时空解耦。也有许多研究者提出了相应的计算模型。局部人工边界我们建议采用比例边界有限元方法(SBFEM-ScaledBoundaryFiniteElementMethod)这种方法的特点是特别适宜于处理无限域问题，具有和边界元法同样的优点，但是不需要求基本解，可采用有限元的方法求解。同时，方法只需在边界上进行离散，可以将三维问题降阶为二维问题，二维问题降阶为一维问题，使计算工作量缩减。SBFEM非常适合于求解竖井、弯段等复杂形状结构的地震响应。oSBFEM具有比较高的计算精度。下面给出SV波水平入射时，孔洞周边变形与应力变化与解析解的比较。图中a0=r/cs表示无量纲频率。谢谢!大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology