地裂缝场地地铁车站结构地震破坏机理及灾变控制对策研究

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地裂缝作为一种典型地质灾害,在世界上许多国家普遍存在,它不仅会产生一系列严重的生态环境问题,而且对各类建筑工程、交通设施及城市生命线工程造成灾难性的直接破坏。倘若严格实行空间避让的措施,必将浪费有限土地资源,制约城市建设和经济发展。因此,在高烈度地裂缝场地,开展工程结构的灾变行为规律及控制对策研究具有重要理论意义和工程实用价值。本文分别开展了跨地裂缝地铁车站结构-土共同作用和跨地裂缝地铁车站结构-土-地表结构共同作用的振动台试验,结合数值模拟分析,系统研究了地裂缝场地地铁车站结构的地震响应规律和破坏机理;基于纤维编织网/ECC复合层材料的力学特性,提出了地裂缝场地地铁车站灾变控制对策。其主要研究工作和成果如下:(1)分别开展了跨地裂缝地铁车站结构-土共同作用和跨地裂缝地铁车站结构-土-地表结构共同作用的模拟地震振动台试验。通过分析地裂缝场地的加速度响应、地表沉降变形、地下结构动力特性和加速度反应以及不同测点应变变化情况,研究了地裂缝场地上、下盘动力反应和错动变形特征,分析了地表结构对地裂缝场地地下结构地震反应影响规律,揭示了不同地震作用下跨地裂缝地下结构的动力响应和破坏特性,为地裂缝场地与地下结构相互作用机制及其地震反应特征研究提供依据。(2)基于土-结构共同作用的精细化数值模拟方法,分别建立了地铁车站结构-地裂缝场地土共同作用的缩尺模型以及跨地裂缝地铁车站结构和处于无地裂缝场地结构原型的有限元分析模型。通过模拟结果与试验结果的对比,验证了该数值模拟分析方法的可行性。同时,分析了有无地裂缝场地条件下地铁车站结构动力响应的差异,探讨了埋深、场地土特性和邻近地表结构等因素对地裂缝场地地铁车站地震反应的影响,获得了地裂缝场地地下结构地震响应规律,研究成果为地裂缝场地地下结构的设计和施工提供参考。(3)通过分析处于地裂缝场地不同位置的车站变形及内力分布规律,并结合场地土塑性分布特征,研究了地裂缝场地地铁车站的破坏模式。结果表明,在地震作用下,地裂缝场地上、下盘之间会发生错动变形,使得中柱承受了更大的竖向荷载;同时,在上覆土重力、地裂缝场地上、下盘剪切作用及地震共同作用下,中柱将发生压剪破坏。(4)通过纤维编织网/ECC复合层加固混凝土柱的力学性能模型试验,研究了纤维编织网/ECC复合层对混凝土柱的加固效果。运用数值模拟,分析了采用不同加固措施和未采用加固措施的地铁车站结构动力响应和中柱破坏形态,验证了纤维编织网/ECC复合层加固中柱措施对提高地裂缝场地地铁车站结构抗震性能的可行性和有效性,为地裂缝场地地下结构的地震控制对策研究提供参考。
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