鄒　炎

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)方法研究

鄒炎

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

隨著城市軌道交通系統(tǒng)， 尤其是地鐵的大規(guī)模建設(shè)， 城市軌道交通系統(tǒng)的安全問(wèn)題已經(jīng)成為重中之重。 地鐵系統(tǒng)要在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行周期內(nèi)保證安全， 就必須具有良好的抗震性能。 對(duì)于地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題， 模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是必不可少的兩種手段， 合理且簡(jiǎn)便的抗震設(shè)計(jì)方法是研究所要達(dá)到的目標(biāo)， 而地下結(jié)構(gòu)周?chē)馏w材料的非線性動(dòng)力本構(gòu)模型是研究中的難點(diǎn)。 本文對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究， 取得了如下研究成果：

(1) 土的本構(gòu)模型。 根據(jù)Hardin和Drnevich提出的土體動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及其在非等幅往返荷載作用下的Pyke修正， 結(jié)合Dafilias和Popov等人提出的邊界面理論， 構(gòu)造了基于Hardin曲線的土體邊界面本構(gòu)模型， 并在ADINA中利用自定義材料的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了該本構(gòu)模型。

(2) 二維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。 采用Opensees對(duì)飽和砂土場(chǎng)地的地震反應(yīng)進(jìn)行了非線性動(dòng)力有限元分析， 并通過(guò)改變土性、 地震動(dòng)幅值、 持時(shí)、 頻率等因素后數(shù)值模擬的對(duì)比， 分析了各因素對(duì)可液化場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響； 然后對(duì)飽和砂土中帶中柱箱型隧道的地震反應(yīng)進(jìn)行了輸入不同幅值地震動(dòng)時(shí)的動(dòng)力計(jì)算， 分析了場(chǎng)地和結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)及其頻譜特性、 場(chǎng)地的永久變形、 隧道的變形和位移、 以及隧道的內(nèi)力分布， 揭示了可液化土層中箱型隧道的地震反應(yīng)規(guī)律和震害機(jī)理。

(3) 飽和砂土中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。 完成了飽和砂土中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)， 從孔壓、 土層加速度、 土層頻譜、 地下結(jié)構(gòu)加速度、 地下結(jié)構(gòu)頻譜、 動(dòng)土壓力和地下結(jié)構(gòu)應(yīng)變等方面分析了試驗(yàn)結(jié)果， 并觀測(cè)了宏觀的試驗(yàn)現(xiàn)象， 分析了飽和砂土場(chǎng)地以及其中埋置的地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律。

(4) 三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。 在Opensees計(jì)算平臺(tái)中建立了穿過(guò)飽和砂土和粘土分界面箱型隧道的三維有限元模型并且進(jìn)行了動(dòng)力數(shù)值計(jì)算， 對(duì)比分析了分界面兩側(cè)的土層和隧道的地震反應(yīng)， 此外， 亦分析了沿隧道縱向地表豎向位移、 隧道變形和隧道內(nèi)力的分布， 揭示了飽和砂土和粘土對(duì)隧道地震反應(yīng)的不同作用， 探索了穿過(guò)飽和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反應(yīng)規(guī)律和震害機(jī)理， 對(duì)實(shí)際工程建設(shè)中此類(lèi)隧道的抗震研究具有重要意義。

(5) 地下結(jié)構(gòu)橫截面抗震設(shè)計(jì)方法。 詳細(xì)介紹了反應(yīng)位移法的原理和具體內(nèi)容， 以動(dòng)力時(shí)程計(jì)算的結(jié)果作為參照， 比較了幾種地基彈簧參數(shù)取值方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性； 然后在反應(yīng)位移法的基礎(chǔ)上提出了大震下地基彈簧參數(shù)取值的非線性修正， 并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證； 最后又依據(jù)地基彈簧參數(shù)取值的非線性修正， 進(jìn)而提出了基于反應(yīng)位移法的地下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化pushover分析方法， 并根據(jù)一具體算例對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

(6) 地鐵隧道縱向抗震設(shè)計(jì)方法。 介紹了幾種常見(jiàn)的隧道縱向抗震設(shè)計(jì)方法， 例如， BART法、 質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型法和反應(yīng)變位法等； 然后將樁-土相互作用的p-y曲線彈簧引入到了地鐵隧道的縱向抗震設(shè)計(jì)中， 建立了超長(zhǎng)隧道-地基土相互作用的p-y彈簧模型， 并且通過(guò)對(duì)該模型的Pushover分析給出了地鐵隧道的一種縱向彈塑性設(shè)計(jì)方法； 最后通過(guò)多點(diǎn)激勵(lì)對(duì)超長(zhǎng)隧道-地基土相互作用的p-y彈簧模型進(jìn)行了動(dòng)力數(shù)值計(jì)算， 得到了隧道縱向內(nèi)力和變形的一些規(guī)律。

關(guān)鍵詞地下結(jié)構(gòu)抗震； 土體動(dòng)力本構(gòu)； 砂土液化； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； Opensees； 抗震設(shè)計(jì)方法

(作者電子信箱， 鄒炎： latro@qq.com)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1+1；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.011