考虑周边建筑影响的地铁车站地震响应特性及简化抗震分析方法研究

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城市轨道交通是大城市和特大城市大容量快速公共交通体系的核心解决方案,城市轨道交通基础设施的建设已成为国家发展的重大需求。近年来,随着城市轨道交通基础设施建设的进一步加快,及轨道交通网密度的不断加大,大量地铁车站需要建在各种建筑物密集的区域,为城市轨道交通地下结构的地震响应分析和抗震设计带来了新的挑战。与单一车站不同,邻近地面建筑地铁车站除了会受到场地变形的影响外,地面建筑在地震过程中产生的惯性力也会通过场地传递给车站。考虑周边建筑影响的地铁车站地震响应分析具有重要科学意义和应用前景。鉴于此,本文通过整体模型的动力平衡分析、邻近地面建筑地铁车站的子结构分析、参数化分析和实例的数值模拟分析等方法,针对当前地铁车站-场地-地面建筑动力相互作用方面研究的不足,重点研究了邻近地面建筑地铁车站地震响应特性和简化抗震分析方法两个关键问题,为复杂城市环境下地铁车站的抗震设计提供建议和方法。主要内容和研究成果有以下几个方面:(1)从整体模型和子结构模型出发对地铁车站-场地-地面建筑的动力相互作用问题进行理论分析,从运动相互作用和惯性相互作用的角度揭示了邻近地面建筑地铁车站地震响应的机制——从产生机制上,邻近地面建筑地铁车站的地震响应可以分解为由场地运动引起的运动相互作用和由地面建筑振动引起的惯性相互作用。(2)通过参数化分析讨论了周边建筑动力特性、地铁车站结构形式、地下-地上结构相对位置、地震动输入特性、场地条件等因素对邻近地面建筑地铁车站地震响应中运动相互作用和惯性相互作用的影响,系统地探究了考虑周边建筑影响的地铁车站地震响应特性。(3)以地震响应机制为切入点,基于大型三维数值模拟分析探究了邻近地面建筑地铁车站地震响应的三维空间特性。通过对车站横向及纵向不同位置内力和变形的分析,得到了邻近地面建筑地铁车站地震响应横向(侧墙比中柱更受影响,站厅层靠近建筑一侧的侧墙最受影响)及纵向(地面建筑对车站的纵向影响范围包括“核心区域”及其两侧约7倍柱间距的“过渡区域”)的空间特性。(4)基于非线性静-动力耦合模型,探究了在强震作用下邻近地面建筑地铁车站的破坏机制和破坏模式。通过与单一车站的结果进行对比,得到地面建筑对车站非线性发展规律的影响及邻近地面建筑地铁车站的抗震薄弱环节(车站站厅层靠近地面建筑一侧的侧墙)。(5)根据邻近地面建筑地铁车站地震响应的机理及特性,分别从整体模型和子结构模型出发推导得到两种考虑周边建筑影响的地铁车站横截面简化抗震分析方法。新方法在邻近地面建筑地铁车站的地震响应分析中,具有“更高的计算精度、更安全的结构设计、更少的消耗时间以及更快的分析过程”的优势。(6)将横截面拟静力抗震分析方法推广至三维,得到邻近地面建筑地铁车站的“三维反应加速度法”和“二加二维等效分析方法”。两种邻近地面建筑地铁车站的三维拟静力抗震分析方法设计结果偏于安全、计算精度较高,且可以大幅度降低三维抗震分析的难度。(7)根据邻近地面建筑地铁车站地震响应的三维空间特性提出一种基于截断模型的局部分析方法。局部分析方法能在保证计算精度的同时,极大地降低计算难度,提高三维抗震设计的效率。
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