地下结构动力变形分析及其对地表建筑地震响应的影响研究

摘要

随着经济的飞速增长，我国城市化进程日益加快，人口和物质财富逐渐向城市高度集中，开发地下空间，建立以地铁为主体的城市地下交通系统作为缓解城市交通最快捷、最有效的途径越来越引起重视。城市地下空间的飞速开发，其抗震安全性必然会成为建筑工程抗震和城市防灾减灾研究的重要内容。大型地下结构内部人口比较集中，空间受限，疏散缓慢，一旦遭受地震破坏，直接造成的生命和财产损失与地上结构相比将更为严重，而且地下结构的修复工作相对困难，间接经济损失同样巨大。地铁交通工程大都贯穿于城市内部，其地表附近一般都已经存在建成的建筑物，或者为了交通方便而在地铁工程附近新建商业区、居民小区等，地下空间结构的存在将改变临近建筑物的地基条件，并改变地震波的传播路径，进而影响地表建筑的地震响应。
　　本文针对上述问题，重点分析了地下结构的动力变形特性，以及地下结构的存在对地表临近建筑结构地震响应的影响，主要研究内容如下:
　　(1)根据土-地下结构拟静力相互作用法，分析排水和不排水条件土体中，地下结构剪切变形与输入激励波波长的关系。研究了土-地下结构拟静力相互作用法的计算原理和适用条件;建立有限元模型，输入由地下结构横截面尺寸所确定的不同频率的正弦波作为激励，分析在排水和不排水条件下，不同高宽比地下结构的剪切变形与激励波波长的关系，给出了不排水条件时采用静力代替动力荷载进行计算的适用条件;同时分析了柔度系数以及土体与地下结构的相对刚度两因素的影响规律。
　　(2)研究了单自由度体系在含有速度脉冲的近断层地震动作用下的响应，对比分析了矩形地下结构在脉冲型近断层地震动和无脉冲远场地震动作用下的剪切变形。首先运用小波分析的方法将含有速度脉冲的近断层地震动分解为高频波和脉冲波两部分，分别分析其对单自由度体系动力响应的影响，论述了仅用脉冲模型模拟近断层地震动的局限性;其次，建立不同截面形状的地下结构模型，计算不同柔度系数时，地下结构在远场地震动和脉冲型近断层地震动作用下的剪切变形系数，研究脉冲型近断层地震动对地下结构地震响应的影响，以及随柔度系数变化的规律。
　　(3)分析了地表建筑结构常用的简化模型，研究了高阶振型对地表结构层间位移谱、以及对层间位移沿结构无量纲高度分布的影响;以地铁车站为研究算例，重点分析当地铁车站埋置于不同类型场地中时，地下结构的存在对地表临近建筑能够产生影响的地表区域范围。根据现行规范对场地类型的规定，选取软土、中软土和硬土三种类型的均质场地做为研究基准，以纯弯曲、纯剪切和弯剪组合三种类型的结构作为研究对象，给出了有、无地铁车站时，三种场地中所选结构层间位移角的变化趋势;将地铁车站水平宽度作为地下结构与地表建筑相对距离的衡量基准，分析地下结构的尺寸与其所能影响到的地表建筑所处位置的关系，总结地下结构的影响范围随场地条件变化的规律，并分析对不同类型地表结构的影响程度;研究不同场地条件下，地下结构的存在对场地设计地震动的影响。
　　(4)地铁车站属于大型地下空间结构，以两层双柱三跨式地铁车站为例，着重从场地土体刚度、加速度峰值以及地表建筑变形类型三个方面进行分析，研究地下结构对地表临近建筑地震响应的影响。首先在有限元软件中分别建立无车站的自由场模型和土体-地铁车站相互作用模型，基于广义层间位移谱分析地铁车站的存在对地表临近建筑结构地震响应的影响;其次，研究了地表结构自震特性和距车站水平距离两个因素对地表结构层间位移角、及其沿结构无量纲高度分布的影响规律，同时分析了场地土体与地下结构相对刚度，以及输入地震动峰值加速度的变化对所得结果的影响;最后，分析了不同自振周期的地表结构所受地下结构影响的变形类型。
　　(5)以成层土体中浅埋地铁区间隧道为研究对象，分析隧道对不同类型地表建筑地震响应的影响以及所能影响到的地表区域范围。首先根据有、无隧道存在的情况下地表结构层间位移的计算结果，分析隧道的影响随地表建筑与隧道之间的相对位置发生变化的规律;其次，针对隧道可能贯穿建筑下方的情况，重点分析了隧道对位于其上方的地表结构层间位移角的影响，给出了不同自振周期地表结构的层间位移角在有、无隧道影响下沿结构高度的分布，并分析地表建筑的变形类型。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 地下结构震灾特性

1．2．1 地下结构的致灾机理

1．2．2 地下结构的动力响应特性

1．3 地下结构抗震研究方法

1．3．1 原型观测

1．3．2 模型实验

1．3．3 理论分析

1．3．4 数值方法的关键问题

1．4 地下结构对地表建筑的影响

1．5 本文研究内容

2 地下结构动力变形分析

2．1 引言

2．2 矩形地下结构剪切变形

2．2．1 土-结构拟静力相互作用法

2．2．2 参数选取

2．2．3 计算模型尺寸的选取

2．2．4 结果分析

2．3 折减弹模的影响

2．4 柔度系数的影响

2．5 本章小结

3 近断层地震动作用下矩形地下结构剪切变形分析

3．1 引言

3．2 近断层地震动对单自由度体系的影响

3．2．1 小波分析分解地震动记录

3．2．2 近断层地震动数据选取

3．2．3 单自由度弹性体系反应

3．2．4 单自由度非弹性体系反应

3．3 近断层地震动对矩形截面地下结构动力响应的影响

3．3．1 计算模型

3．3．2 近断层地震动选取

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

4 不同类型场地中地下结构对地表临近建筑层间位移的影响

4．1 引言

4．2 地表建筑结构简化模型及高阶振型的影响分析

4．2．1 建筑结构简化模型

4．2．2 广义层间位移谱

4．2．3 高阶振型对建筑结构层间位移的影响

4．3 分析方法和有限元模型

4．3．1 分析方法

4．3．2 数值模型

4．3．3 模型参数

4．3．4 计算工况

4．4 弯剪型框架结构所受影响范围

4．5 地下结构对弯剪框架结构层间位移分布的影响

4．6 纯弯曲和纯剪切型结构所受影响的范围

4．6．1 纯弯曲型结构

4．6．2 纯剪切型结构

4．7 地下结构对不同场地设计地震动的影响分析

4．7．1 计算模型与参数选取

4．7．2 Ⅱ类场地结果分析

4．7．3 Ⅲ类场地结果分析

4．7．4 Ⅳ类场地结果分析

4．8 本章小结

5 成层地基地下结构对地表建筑层间位移的影响分析

5．1 引言

5．2 分析方法和有限元模型

5．2．1 分析方法

5．2．2 数值模型

5．2．3 计算工况

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 地铁车站对临近结构层间位移角的影响

5．3．2 地铁车站对不同周期建筑结构的影响

5．4 相对刚度的影响

5．4．1 弹模增加30％时的影响分析

5．4．2 弹模减少30％时的影响分析

5．5 加速度峰值的影响

5．5．1 层间位移谱计算结果

5．5．2 层间位移分布计算结果

5．6 地下结构对临近建筑结构变形类型的影响

5．7 本章小结

6 隧道对地表临近建筑层间位移的影响分析

6．1 引言

6．2 计算模型

6．3 隧道对弯剪组合结构的影响

6．4 隧道对弯剪结构层间位移分布的影响

6．4．1 对层间位移角沿高度分布影响

6．4．2 弯剪结构变形类型分析

6．5 隧道对纯弯曲和纯剪切结构的影响

6．5．1 纯弯曲结构

6．5．2 纯剪切结构

6．6 本章小结

7 结论与展望

参考文献

附录A 近断层地震动特征参数

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介