饱和土中地铁车站的地震响应分析
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摘要
兴建地铁是解决城市交通堵塞和环境污染问题的最为有效的手段之一,但在地铁设计与建设过程中还有一个重要问题没有解决,这就是地铁车站的抗震问题。值得注意的是许多地下铁道结构所处地区都位于地震频发地带,因此地下铁道结构的抗震设计和抗震安全性能评估是个必须面对的问题。
地铁车站是地铁运营过程中的交通枢纽,使用周期长、人员集中,一旦遭到地震破坏,可能造成重大人员伤亡和车站结构的损伤。除了修复工作比地上建筑物困难外,所带来的间接经济损失远大于直接损失,一般也远大于地面结构的经济损失,并且也会给社会生活造成重大影响。这些都迫切要求人们对地下结构的抗震问题有更新的认识,并对地下结构的抗震问题加强研究。
本论文在廖振鹏和赵成刚等分别建立的单相介质和流体饱和两相多孔介质动力分析的显式有限元方法的基础上,建立了适用于地铁车站结构—饱和土体耦联系统地震响应分析的模型,并编写了适合于饱和土与地铁车站结构耦联系统的地震动响应分析的程序,数值计算给出了地铁车站结构的平面P波的地震动响应,分析并讨论了地铁车站的埋深、结构厚度、场地土性质、车站结构高跨比、结构类型等因素对地铁车站结构地震动响应放大系数的影响。通过对计算结果的分析和比较,发现:地铁结构的最大位移多发生在顶板和侧墙上,这与阪神地震中的地铁车站破坏位置一致;浅埋地铁车站的埋深对于其抗震性能有很重要的作用;对于浅埋地铁车站结构来讲,在厚度较小的范围内,增加结构厚度会使地铁车站的地震响应位移峰值随之增大;地铁车站的结构形式对于其抗震性能也是非常重要的,在相同的跨度和相同的高度情况下,增加结构跨数能明显的提高抗震性能。
上述研究成果对建立和完善的软土层中地铁车站抗震设计方法具有参考价值。
The construction of the subway is one of the most effective means to handle the urban traffic congestion and the environment pollution, but there is an important problem which is not solved in the design and construction of the subway. That is the subway station seismic problem. It is worth noting that many metro areas are located in the structure in the frequent seismic zone, so the seismic design of the structure of Mass Transit Railway and performance evaluation of seismic safety is a problem that we have to face.
Subway station is a transport hub with a long life cycle and the concentrated crowd. Once the subway station is damaged by the earthquake, may result in significant casualties and damage to the structure of the station. But the restoration work is more difficult than the general structure on the ground, and the indirect economic losses is far greater than the direct losses, as well as there will be a significant impact on the social life. Thus, it is very urgent that people must have some update understanding of the seismic problem of the underground structures, and we have to do more research on the seismic ability of the underground structures.
In this paper, on the basis of the explicit finite element method of the single-phase medium and two-phase porous fluid-saturated medium dynamic analysis, which was established by Liao Zhen peng and Zhao Cheng gang, I established the finite element model applicable to the earthquake response analysis of the subway station structure -fluid-saturated soft soil coupled system. By using this model, I made a program to analysis the earthquake response of the subway station structure in saturated soil, and the numerical results were given to illustrate the earthquake response of the subway station for the plane P waves. I did some research on the earthquake response displacement enlarged coefficient of the subway station structure under some different conditions, such as the burying depth of the subway station, the thickness of the structure, the properties of the ground soil, the structure types. The conclusions have some referential value for the establishment and improvement of the seismic design method of the subway station in soft soil.
地铁车站是地铁运营过程中的交通枢纽,使用周期长、人员集中,一旦遭到地震破坏,可能造成重大人员伤亡和车站结构的损伤。除了修复工作比地上建筑物困难外,所带来的间接经济损失远大于直接损失,一般也远大于地面结构的经济损失,并且也会给社会生活造成重大影响。这些都迫切要求人们对地下结构的抗震问题有更新的认识,并对地下结构的抗震问题加强研究。
本论文在廖振鹏和赵成刚等分别建立的单相介质和流体饱和两相多孔介质动力分析的显式有限元方法的基础上,建立了适用于地铁车站结构—饱和土体耦联系统地震响应分析的模型,并编写了适合于饱和土与地铁车站结构耦联系统的地震动响应分析的程序,数值计算给出了地铁车站结构的平面P波的地震动响应,分析并讨论了地铁车站的埋深、结构厚度、场地土性质、车站结构高跨比、结构类型等因素对地铁车站结构地震动响应放大系数的影响。通过对计算结果的分析和比较,发现:地铁结构的最大位移多发生在顶板和侧墙上,这与阪神地震中的地铁车站破坏位置一致;浅埋地铁车站的埋深对于其抗震性能有很重要的作用;对于浅埋地铁车站结构来讲,在厚度较小的范围内,增加结构厚度会使地铁车站的地震响应位移峰值随之增大;地铁车站的结构形式对于其抗震性能也是非常重要的,在相同的跨度和相同的高度情况下,增加结构跨数能明显的提高抗震性能。
上述研究成果对建立和完善的软土层中地铁车站抗震设计方法具有参考价值。
The construction of the subway is one of the most effective means to handle the urban traffic congestion and the environment pollution, but there is an important problem which is not solved in the design and construction of the subway. That is the subway station seismic problem. It is worth noting that many metro areas are located in the structure in the frequent seismic zone, so the seismic design of the structure of Mass Transit Railway and performance evaluation of seismic safety is a problem that we have to face.
Subway station is a transport hub with a long life cycle and the concentrated crowd. Once the subway station is damaged by the earthquake, may result in significant casualties and damage to the structure of the station. But the restoration work is more difficult than the general structure on the ground, and the indirect economic losses is far greater than the direct losses, as well as there will be a significant impact on the social life. Thus, it is very urgent that people must have some update understanding of the seismic problem of the underground structures, and we have to do more research on the seismic ability of the underground structures.
In this paper, on the basis of the explicit finite element method of the single-phase medium and two-phase porous fluid-saturated medium dynamic analysis, which was established by Liao Zhen peng and Zhao Cheng gang, I established the finite element model applicable to the earthquake response analysis of the subway station structure -fluid-saturated soft soil coupled system. By using this model, I made a program to analysis the earthquake response of the subway station structure in saturated soil, and the numerical results were given to illustrate the earthquake response of the subway station for the plane P waves. I did some research on the earthquake response displacement enlarged coefficient of the subway station structure under some different conditions, such as the burying depth of the subway station, the thickness of the structure, the properties of the ground soil, the structure types. The conclusions have some referential value for the establishment and improvement of the seismic design method of the subway station in soft soil.
引文
[1]刘晶波,李彬,地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题,土木工程学报,2006,39(6):106-110
[2]陈东,尚守平,土-结构相互作用中的几种人工边界的分析,建筑技术开发,2006,33(8):35-37
[3]宫必宁,赵大鹏,地下结构与土动力相互作用试验研究[J],地下空间,2002,22(4):320-324
[4]谷拴成,朱彬,杨鹏,地下结构地震反应非线性分析,地下空间与工程学报,2006,2(5):748-752
[5]林利民,陈健云,软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析,防灾减灾工程学报,2006.8,26(3):267-273
[6]晏成明,大跨度地下结构动力计算模型研究[D],南京:河海大学,2003
[7]曹炳政,罗奇峰,马硕等.神户大开地铁车站的地震反应分析[J],地震工程与工程震动,2002,22(4):104-107
[8]巴振宁,饱和半空间中凹陷地形和隧洞对平面P、SV波的散射,硕士学位论文
[9]孙绍平,韩阳,生命线地震工程研究述评[J],土木工程学报,2003,36(5):97-104
[10]高峰,关宝树,深圳地铁地震反应分析[J],西南交通大学学报,20,3(4):35-39
[11]刘华北,宋二祥,可液化土中地铁结构的地震响应,岩土力学,2005,26(3):381-386
[12]毕继红,张鸿,邓芃,基于耦合分析法的地铁隧道抗震研究[J],岩土力学,2003,24(5):800-803
[13]刘艳军,顾俊,丁向东,地铁隧道非线性地震响应动力分析,盐城工程学院学报,2007,20(1):68-71
[14]刘晶波,李彬,谷音,地铁盾构隧道地震反应分析[J],清华大学学报,20,4(6):757-760
[15]刘晶波,李彬,谷音,结构-地基开放系统动力相互作用问题的高效解法,土木工程学报,2006,39(5):114-116
[16]GB50157-2003,地铁设计规范[S]
[17]邱流朝,金峰,地震分析中人工边界处理与地震动输入方法研究.岩土力学,2006,27(9):1501-1504
[18]刘瑜,对地铁结构的抗震分析研究.低温建筑技术,2006(4):61-62
[19]关慧敏,廖振鹏,局部人工边界稳定性的一种分析方法,力学学报,1996.5,28(3):376-380
[20]吴世明,土介质中的波,北京:科学出版社,1997
[21]刘干斌,谢康和,施祖元,黏弹性饱和十体中圆形隧洞动力相互作用,浙江大学学报,2005,39(10):1576-1581
[22]汤梅芳,宫全美,软土地层中越江盾构隧道的地震响应分析,工程抗震与加固改造,2007,29(1):79-84
[23]廖振鹏,近场波动的数值模拟,力学进展,1997.5,27(2):193-213
[24]高学奎,朱晞,近场地震动输入问题的研究,华北科技学院学报,2005,2(3):80-83
[25]杨俊,吴世明,蔡元强,饱和土中弹性波的传播特性[J],振动工程学报,1996,9(2):128-137
[26]廖振鹏,法向透射边界,中国科学,1996,26(4):185-192
[27]王进廷,两相饱和多孔介质与其他介质耦联时的动力显示有限元方法,硕士学位论文
[28]廖振鹏,工程地震学,1986
[29]廖振鹏、周正华、张艳红,波动数值模拟中透射边界的稳定实现,地球物理学报,2002.7,Vol..45,No.4:533-545
[30]李伟华,含饱和十的复杂局部场地波动散射问题的解析解和显式有限元数值模拟,博士学位论文
[31]赵成刚,波在饱和多孔介质与弹性固体介质交界面上的界面效应[J],地震工程与工程振动,1999.3,19(1):1-6
[32]赵成刚,李伟华,乇进廷,李亮,三种介质耦联系统动力分析的显式有限元法及其应用,地震学报,2003,25(3):262-271
[33]李小军,廖振鹏,杜修力,有阻尼体系动力问题的一种显式解法,地震工程与工程振动,1992,12(4):74-79
[34]赵成刚,杜修力,崔杰,闹体、流体多相孔隙介质中的波动理论及其数值模拟进展,力学进展,1998,28(1):83-92
[35]廖振鹏著,工程波动理论导引,科学出版社,1996
[36]刘晶波,廖振鹏,地震小区划,172-195,地震出版社,1989
[37]杜修力,局部解耦的时域波动分析方法,世界地震工程,2000,Vol.16,No.3:22-26
[38]关慧敏,廖振鹏,一种改善多次透射边界稳定性的措施,地震工程与工程振动,1997,Vol.17,No.4:1-8
[39]关慧敏,廖振鹏,时域局部人工边界的稳定性分析方法概述,世界地震工程,1997.6,Vol.13,No.2:1-7
[40]李小军,廖振鹏,时域局部透射边界的计算飘移失稳,力学学报,1996,28:627-632
[41]王子辉,赵成刚,李伟华,徐春玲,不同介质成层分布的弹性半空间地震波场输入,岩土工程学报,2006.1,28(1):33-36
[42]李彬,刘晶波,尹骁,双层地铁车站的强震反映分析,地下空间与工程学报,2005.10,1(5):779-782
[43]郭美贤,城市地铁车站及隧道结构的震害分析及其对策,广州建筑,2006年第6期:24-27
[44]潘若东,朱永红,刘辉,周顺华,赵永胜,地铁车站内部基坑维护体与内部结构共同作用分析,学术专论第二期:33-35
[45]Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.The Journal of the Acoustical Society of America,1956,28(2):168-191
[46]Alterman Z S,Karal F C Jr.Propagation of elastic waves in layered media by finite-difference methods,Bull Seism.Soc.Am.,1968,58:367-398
[2]陈东,尚守平,土-结构相互作用中的几种人工边界的分析,建筑技术开发,2006,33(8):35-37
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[35]廖振鹏著,工程波动理论导引,科学出版社,1996
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[41]王子辉,赵成刚,李伟华,徐春玲,不同介质成层分布的弹性半空间地震波场输入,岩土工程学报,2006.1,28(1):33-36
[42]李彬,刘晶波,尹骁,双层地铁车站的强震反映分析,地下空间与工程学报,2005.10,1(5):779-782
[43]郭美贤,城市地铁车站及隧道结构的震害分析及其对策,广州建筑,2006年第6期:24-27
[44]潘若东,朱永红,刘辉,周顺华,赵永胜,地铁车站内部基坑维护体与内部结构共同作用分析,学术专论第二期:33-35
[45]Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.The Journal of the Acoustical Society of America,1956,28(2):168-191
[46]Alterman Z S,Karal F C Jr.Propagation of elastic waves in layered media by finite-difference methods,Bull Seism.Soc.Am.,1968,58:367-398