水平方向地震作用下框架结构地下地铁车站动力响应分析

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城市的不断扩张和城市人口的日益增长,对地上交通是一个严峻的挑战。地下轨道交通的发展与大力建设缓解了地上交通的压力,国内外许多城市都进行了地铁的建设。框架结构整体性好,空间分割灵活,且具有较强的抗震性,所以常作为地铁车站的结构形式。而随着地下结构震害的频繁出现,框架结构地下地铁车站的地震响应和实际抗震性能需要得到充分的研究。本文以重庆市框架结构地下地铁车站—轨道交通6号线复兴站为工程背景,以振动台模型试验为基础,借助重庆大学岩土实验楼的振动台试验系统,采用能够较好模拟地基边界条件的层状剪切箱,开展框架结构地下地铁车站的振动台试验。通过在结构上和土层中布置的各种传感器,测量结构与土层的加速度、结构的应变以及结构—土层接触面的土压力,以研究框架结构地下地铁车站的地震响应及规律。并且通过MIDAS-GTS NX有限元软件,分析地震作用下框架结构地下地铁车站的相对水平位移、应变、加速度等动力响应。主要研究内容及工作如下:(1)根据框架结构地下地铁车站的实际尺寸以及振动台台面尺寸和承重范围,结合Bockingham-π相似比定理,以弹性模量E、几何尺寸l、加速度α三个参数为基本物理量,由相似比关系得出其他参数的相似比系数。利用有机玻璃作为车站结构的制作材料,并根据几何尺寸相似比系数确定模型结构尺寸。采用能够有效降低地震波边界反射效应的层状剪切模型箱承载模型结构和土体。参考前人提出的模型土层理想配合比试验,配制IV级围岩相似材料以模拟土层。选取一条真实记录地震波—Kobe波,一条人工合成地震波—重庆人工波作为输入波,设计地震波加载工况,并利用压电式加速度计、应变式微型土压力计和电阻应变片测量结构和土层的加速度、结构—土层接触面土压力以及结构应变。(2)按照实验设计输入地震波,通过传感器得到各加载工况下各个点位的时程数据记录,对实验数据进行分析。从车站结构与土层的加速度响应、车站结构应变、结构侧墙—土层接触面土压力三个方面分析框架结构地下地铁车站体系的地震响应。分析车站结构与土层沿高度方向的加速度响应变化规律,车站结构与土层的加速度响应差异;分析车站各层楼板以及中柱、侧墙沿高度方向的应变变化和规律,找出应变响应最大的部位;分析结构侧墙—土层接触面沿高度方向土压力响应规律,并找出土压力响应的最大部位。通过加速度、应变和土压力响应分析,确定结构的抗震薄弱部位。(3)针对框架结构地下地铁车站地震响应,开展了有限元数值模拟工作,运用MIDAS-GTS NX有限元软件,根据原场地地勘资料以及车站结构材料物理力学参数,对复兴站框架结构地下地铁车站主体结构和土层进行二维有限元建模。对结构和土层选取合适的本构关系,对土层选取恰当的边界条件以准确模拟原场地土层。选取真实记录的日本神户Kobe波以及根据规范人工合成的重庆人工波,输入加速度时程曲线以模拟地震作用,并选取合适的时间步骤,运用软件自带的非线性时程分析法进行地铁车站地震作用模拟。(4)根据框架结构地下地铁车站有限元二维数值模拟,对结果进行分析。由车站主体结构相对水平位移云图,大致能看出车站结构沿高度方向的位移趋势,根据具体数据,对车站侧墙和中柱沿高度方向的相对水平位移进行详细分析,发现不论车站侧墙还是中柱,相对水平位移均随着高度的增加而增大的规律;由车站结构应变云图发现,在侧墙底部、柱底和柱顶、各层楼板与侧墙连接处的应变响应较大,并具体分析这些部位的应变响应规律;最后对结构和土层的加速度响应和沿高度方向的放大效应进行分析,得到结构和土层的加速度响应规律。从车站相对水平位移、车站结构应变以及车站结构与土层的加速度三个方面的响应规律,确定地铁车站的抗震不利位置。
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