地下結構地震破壞機理研究

孫海峰

1)中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080

2)黑龍江省地震局，哈爾濱150090

地下結構地震破壞機理研究

孫海峰1，2)

1)中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080

2)黑龍江省地震局，哈爾濱150090

為了解決車輛增多，城市交通擁擠等一系列問題，我國大中城市相繼開展了大規模的地鐵建設。我國已建成地鐵和有地鐵規劃的城市中有很多地區處于地震高發地帶，地下結構一旦發生震害，修復困難、代價昂貴，也將對其周圍的結構造成不利的影響。大規模的地鐵建設使地鐵抗震問題成為城市工程抗震和防災減災研究的重要課題。本文在總結國內外有關地下結構地震反應研究的基礎上，對地下結構的地震響應規律和地下結構破壞機理進行研究，取得了如下研究成果:

1 大型模擬振動臺三維疊層剪切箱的研制

在總結國內外研制疊層剪切箱的基礎上，首次設計并制作了國內最大的剛度可調的、可用于進行大型三維模擬振動臺試驗的三維疊層剪切模型箱。通過地震模擬振動臺的實際測試和檢驗，驗證了該剪切箱可使地下結構大型模擬振動臺試驗較好地模擬半無限域中地下結構三維地震反應。

2 黏土層中地下結構大型模擬振動臺試驗

利用已研制的三維疊層剪切模型箱完成了一系列不同土層、不同工況的地下結構大型模擬振動臺試驗。國內首次在地下結構振動臺試驗中，在結構內設置攝像頭進行視頻監控。對試驗的宏觀現象和選取的兩次典型試驗的數據以及結構內視頻監控錄像進行了詳細分析。通過對比研究土層和地下結構加速度和頻譜響應規律以及對地下結構應變、卓越頻率衰減量規律和結構內視頻監控錄像的分析，初步揭示了黏土層中地下結構的震害機理與破壞模式。在地震荷載作用下，不同深度土體的剪切變形使地下結構發生的層間相對位移是導致地下結構破壞的主要原因。地下結構震害以柱頂及頂板和樓板與側墻的節點處破壞為主，并且破壞程度隨埋深的減小而增大。

3 大開車站地震破壞機理分析

通過對本次大型模擬振動臺試驗結果及對大開車站中柱破壞現象的分析，揭示了神戶大開車站地震破壞機理:車站周圍土層的剪切運動導致大開車站產生層間相對位移，層間相對位移使車站中柱頂部和底部產生了較大的剪力和彎矩，過大的剪力和彎矩導致混凝土中柱出現裂縫、剝落，此時，中柱的鋼筋已經失去保護層，承載力降低，隨著層間相對位移的往復運動，中柱鋼筋逐漸彎曲形成“燈籠形”，核心混凝土在失去外部鋼筋承載力后，隨著層間相對位移的繼續往復運動，核心混凝土逐漸破裂脫落，最終導致了車站的破壞。層間相對位移也在頂板和樓板與側墻節點處產生較大的彎矩，在豎向荷載和層間相對位移的共同作用下，頂板和樓板與側墻節點處出現裂縫，最終破壞。

4 可液化砂土層中地下結構大型模擬振動臺試驗

完成了可液化砂土層中地下結構大型模擬振動臺試驗。通過對比可液化砂土層中和黏土層中地下結構振動臺試驗中加速度放大系數、應變、卓越頻率衰減量規律和結構內視頻監控錄像可以發現，相同峰值地震動輸入時，相同埋深處的黏土層中地下結構的加速度放大系數、應變及卓越頻率衰減量大于砂土層中地下結構加速度放大系數，這表明砂土液化對地下結構有減震作用。從試驗后檢驗也可發現，液化后的土體中，試驗模型沒有明顯的破壞，但液化后由于孔隙水壓力增加，使得模型結構產生了明顯上浮，當孔壓消散后，模型結構產生了沉降。對于本次試驗，由于砂土層是水平成層的，試驗模型僅是獨立的地鐵車站模型，結構上浮或沉降基本上是均勻的，而在實際地鐵工程中，隧道或地鐵車站多處于不均勻土層中，液化后將導致嚴重的不均勻上浮或沉降，這將引起隧道或結構的斷裂等嚴重破壞。

5 三維有限元數值模擬分析

為了實現在ABAQUS中用有限的模型土模擬半無限空間土體，探索了將加速度時程轉化為力時程，并在底邊界添加阻尼器的方法來實現在ABAQUS應用粘性邊界條件的方法，并通過波源問題和散射問題證明了此方法的合理性。

分別建立了模型試驗及原型地鐵車站三維有限元數值模擬模型，并將粘性邊界條件及土體等效非線性化模型參數確定方法引入ABAQUS。通過對比模型試驗結果和模型數值模擬結果，檢驗了振動臺試驗和數值模擬結果的可靠性。對原型結構的三維有限元數值模擬進一步揭示了地下結構地震破壞機理:層間相對位移是多層地下結構破壞的主要原因，頂層柱頂和樓板與墻、柱節點處容易發生彎剪破壞，是整個地下結構地震響應中最薄弱環節。

(作者電子信箱，孫海峰:sunhaifeng3639@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.012

振動臺試驗;數值模擬;邊界條件;有限元;層間相對位移