基于IDA的钢-混凝土组合地铁车站抗震性能研究

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近年来,我国开始大力推广具有良好环境效益的地下结构预制技术,与传统现浇方式相比,装配式技术可解决地铁车站在建造过程中的诸多问题。但目前对于地铁车站的抗震研究主要是针对普通钢筋混凝土结构,对装配式地铁车站的研究较少。本文提出了一种新型钢-混凝土组合结构地铁车站,并以日本阪神大地震中遭受严重破坏的大开车站为研究背景,建立普通钢筋混凝土地铁车站结构(RC结构)、钢-混凝土组合结构地铁车站(CS结构)及仅采用钢管混凝土柱的地铁车站(CFST结构)的ABAQUS有限元模型,对比分析相同地震动荷载作用下三种结构的震害反应差异;并基于增量动力分析法(IDA)建立RC结构和CFST结构在12条地震波作用下的地震易损性曲线,评估结构达到各极限破坏状态的概率。论文主要成果如下:(1)基于国内外现有装配式地铁车站实际应用研究,结合装配式地铁车站主体结构各构件的常用设计方法,通过分析实际工程中常用式构件连接方式的优缺点,提出一种新型钢-混凝土组合结构地铁车站,对该车站的各构件特性进行阐述,确定车站主体结构的合理化连接方式。(2)在水平-竖直地震作用下,CS结构的最大层间位移角比RC结构大约15%~19%,不同时刻下的侧墙整体水平变形略大于RC结构,相对于RC结构,梁、板、柱经更换后的CS结构抗震性能并未得到明显的提升;而CFST结构的动力反应明显降低,CFST结构的最大层间位移角比CS结构小约25~28%,比RC结构小约12%~13%,采用钢管混凝土中柱能有效提升结构的整体抗震性能。(3)选取12条地震波对RC结构和CFST结构进行IDA计算,并基于不同结构破坏指标对两种结构的IDA曲线进行对比,不同结构破坏指标所对应的IDA曲线呈现出不同程度的离散性。平均来看,钢管混凝土中柱承担的剪力约是普通钢筋混凝土中柱的1.5~2倍,表明钢管混凝土中柱具有较大的抗剪刚度,在震害过程中能承担更多的横向荷载。(4)对CFST结构的四个抗震极限状态进行定量描述,根据数值模拟结果得出各个极限破坏状态所对应的层间位移角,进而得出CFST结构和RC结构在12条地震波作用下的地震易损性曲线,通过定量对比两种结构在7度设计地震动强度和7度罕遇地震动强度下超越自身各极限破坏状态的概率,可知CFST结构达到各个极限状态的概率都小于RC结构。
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