地铁结构抗震研究中的若干问题
地铁结构抗震研究中的若干问题
来源:考试大2010年2月24日【考试大:中国教育考试第一门户】
关键词:地铁抗震研究;波动力学法;复杂地下结构系统动力学法 www.Examda.CoM考试就到考试大
由于我国土地资源有限,我国已经开始大规模开发地下空间。作为地下结构的一种,地铁是大城市解决交通拥挤问题的必由之路,在上个世纪末全世界已经有超过5500公里的地铁在运营[1].我国也有北京等十多个城市有地铁运营或正在建设。我国是多震国家,20多个百万以上人口的特大城市中有70%属七度和七度以上的地区,北京、天津、西安等大城市都位于八度的高烈度地震区[2].地震对于我国的地下工程建设构成了严重的威胁。
我国地下结构的抗震规范从50年代至今,还一直沿用传统的静力理论,这一理论不能反映地震时地下结构的工作特性,更不能满足地下工程结构发展的需要。因此,开展对地下结构抗震的深入研究己迫在眉捷。
地下结构与地面建筑受地震作用时工作特点不同。
这些特点使得地下结构的抗震理论与地面结构的抗震理论不尽相同。
地下结构抗震理论的发展也是随着地面建筑抗震理论的发展而发展的。上世纪50年代以前,国内外都是以静力理论为基础来计算地下结构的地震力。1941年,M.Biot提出了目前各国普遍采用的反应谱理论[2],这使地震工程理论取得了突破性进展。在地下结构的抗震计算中,线性反应谱的应用遇到了一定的困难,这主要是因为没有确实可信的加速度谱及地下结构的频率和振型难以确定。
3.1波动学方法
3.2复杂结构系统动力抗震法另一个方向为复杂地下结构系统的动力抗震理论。这一理论主要研究长型的具有分支的地下隧道及管道。这时地下结构系统被看成是由弹性杆及大刚度节点单元组成的系统,地基被模拟成具有一定流变性质的连续介质,课题的任务是研究杆系结构及周围介质的共同振动。这一方向的学者有苏联的Rashidov及其学派[18-19].他们通过对于具体的地铁支护形式的研究,得到了一系列关于结构形式及结构与地基连接方式对于地下结构应力的影响的结论。他们研究了地铁结构的纵向及横向振动,绘制出了用于实际结构计算的表格;他们的研究结果还表明在地下结构中可能存在两种波:亚音速及超音速波;在刚性支护及柔性地基的情况下,地基的刚度及地震脉冲的持续时间对于结构的最大位移及应力影响很大;地震缝刚度的增加导致临近段位移的减少,位移幅值依赖于地震缝的刚度及各段之间连接的刚度等。并首次在建设塔什干地铁中安置测量网用于实测地铁结构对于地震的反应。在文[20]中,Mubarakov对于地下壳体结构在地震作用下的应力状态进行了理论与实验研究,取得了对于地铁结构来讲非常有用的结果及抗震措施的建议。在美国60年代末,在建旧金山海湾地区快速地铁运输系统时(BART)提出了BART法[21],他们提出了地下结构并不抵御惯性力而是具有吸收强加变形的延性,同时还不丧失其承受静荷载等新的设计思想,并以此为基础提出了抗震设计标准。美国在80年代洛杉矶地下铁道的设计中也对地震荷载作了充分的考虑。70年代,日本学者从地震的观测资料着手,通过模型试验建立了数学模型,提出了响应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算法,使得地下结构的实用抗震计算得到了很大的发展。响应位移法[22-23]的基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物,把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上,以求解在梁上产生的应力和变形,从而计算地下结构(隧洞、管道、竖井等)地震响应的公式可以简化为拟静力计算公式。围岩应变传递法[23]基于:地下结构地震时应变的波形与周围岩土介质地震应变波形几乎完全相似的观测结果,把地下结构的地震应变εs与没有洞穴或地下结构影响的周围岩土介质的地震应变εg用系数a联系起来εs=aεg,a看作是一个静态系数,可通过静力有限元法分析确定。地基抗力系数法[24]是将相互作用的计算模型应用于地下结构横断面地震响应分析的一种方法。周围岩土介质的作用以多点压缩弹簧和剪切弹簧进行模拟,结构可用梁元进行模拟。本方法为日本核电厂耐震设计技术指针所采用。另外为了防止和减轻地震对隧道造成的危害,他们又将隧道抗震的思想贯穿到选线、设计、施工、维修、改造的全过程。美国学者Schukla等人[25]在80年代初应用弹性地基梁原理,采用拟静力方法来考虑土体与结构的相互作用,建立了地下结构的数学模型,并用无量纲的参数将此计算结果绘成曲线图,简化了地下结构的抗震设计。St.John法[26]考虑了地震波与结构轴线的夹角不同对于结构产生的三种荷载:弯曲荷载、横向荷载、轴向荷载,引入了Peck教授提出的柔度比概念来确定土体与结构是否产生一致的运动。并对于这两种情况取弹性地基梁模型进行计算,从而得到结构的应力。80年代末90年初,J.P.Wolf和C.M.Song又提出了递推衍射法[27].其基本思想是:为了计算边界阻抗,将一无限域当作由无限个几何形状相同的单体域所组成,前者的边界阻抗可由后者的动力刚度矩阵运用一般的有限元列式,包括矩阵求逆以及与特征值相关的运算求得。在文[28]中,KojiUenishi等基于波在杆中传播的理论,给出竖向地震作用下地铁站中柱内力简化计算模型,能考虑地下结构上部荷载与结构的耦合地震反应,但没有考虑结构与土的相互作用。
综上所述,地铁结构的抗震取得了很大的成就,但是从波动理论来讲,考虑介质与结构的非线性特性、地面的影响、相邻结构的影响、波与结构的空间相互作用等还研究得不够。复杂结构理论方面对于结构在轴向载及剪切载共同作用下的破坏模式问题、结构与周围介质的非线性相互作用问题还需要澄清。地下结构抗震规范的制定也是一个迫切的任务。 考试大论坛
综上所述,可以得出下列结论:
2)地铁站作为重要的大截面建筑,最容易遭受破坏。因此需要对于地铁站钢筋混凝土结构,特别是中柱及顶板在水平荷载和垂直荷载共同作用下破坏机理的进行深入研究,确定截面应力、刚度与延性间的相互影响,为设计与施工提供指导。
4)对于不能化为平面课题的情况:地震波沿着结构轴线传播时的情况、在横截面变化时的情况、大断面地下结构(如地铁车站、地下停车场等结构)、隧道口的应力问题,用波动力学法确定地下结构的地震应力还没有得到很好的研究。对于这种课题应该发展解析法、实验和数值分析法。
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关键词:地铁抗震研究;波动力学法;复杂地下结构系统动力学法 www.Examda.CoM考试就到考试大
由于我国土地资源有限,我国已经开始大规模开发地下空间。作为地下结构的一种,地铁是大城市解决交通拥挤问题的必由之路,在上个世纪末全世界已经有超过5500公里的地铁在运营[1].我国也有北京等十多个城市有地铁运营或正在建设。我国是多震国家,20多个百万以上人口的特大城市中有70%属七度和七度以上的地区,北京、天津、西安等大城市都位于八度的高烈度地震区[2].地震对于我国的地下工程建设构成了严重的威胁。
我国地下结构的抗震规范从50年代至今,还一直沿用传统的静力理论,这一理论不能反映地震时地下结构的工作特性,更不能满足地下工程结构发展的需要。因此,开展对地下结构抗震的深入研究己迫在眉捷。
地下结构与地面建筑受地震作用时工作特点不同。
这些特点使得地下结构的抗震理论与地面结构的抗震理论不尽相同。
地下结构抗震理论的发展也是随着地面建筑抗震理论的发展而发展的。上世纪50年代以前,国内外都是以静力理论为基础来计算地下结构的地震力。1941年,M.Biot提出了目前各国普遍采用的反应谱理论[2],这使地震工程理论取得了突破性进展。在地下结构的抗震计算中,线性反应谱的应用遇到了一定的困难,这主要是因为没有确实可信的加速度谱及地下结构的频率和振型难以确定。
3.1波动学方法
3.2复杂结构系统动力抗震法另一个方向为复杂地下结构系统的动力抗震理论。这一理论主要研究长型的具有分支的地下隧道及管道。这时地下结构系统被看成是由弹性杆及大刚度节点单元组成的系统,地基被模拟成具有一定流变性质的连续介质,课题的任务是研究杆系结构及周围介质的共同振动。这一方向的学者有苏联的Rashidov及其学派[18-19].他们通过对于具体的地铁支护形式的研究,得到了一系列关于结构形式及结构与地基连接方式对于地下结构应力的影响的结论。他们研究了地铁结构的纵向及横向振动,绘制出了用于实际结构计算的表格;他们的研究结果还表明在地下结构中可能存在两种波:亚音速及超音速波;在刚性支护及柔性地基的情况下,地基的刚度及地震脉冲的持续时间对于结构的最大位移及应力影响很大;地震缝刚度的增加导致临近段位移的减少,位移幅值依赖于地震缝的刚度及各段之间连接的刚度等。并首次在建设塔什干地铁中安置测量网用于实测地铁结构对于地震的反应。在文[20]中,Mubarakov对于地下壳体结构在地震作用下的应力状态进行了理论与实验研究,取得了对于地铁结构来讲非常有用的结果及抗震措施的建议。在美国60年代末,在建旧金山海湾地区快速地铁运输系统时(BART)提出了BART法[21],他们提出了地下结构并不抵御惯性力而是具有吸收强加变形的延性,同时还不丧失其承受静荷载等新的设计思想,并以此为基础提出了抗震设计标准。美国在80年代洛杉矶地下铁道的设计中也对地震荷载作了充分的考虑。70年代,日本学者从地震的观测资料着手,通过模型试验建立了数学模型,提出了响应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算法,使得地下结构的实用抗震计算得到了很大的发展。响应位移法[22-23]的基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物,把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上,以求解在梁上产生的应力和变形,从而计算地下结构(隧洞、管道、竖井等)地震响应的公式可以简化为拟静力计算公式。围岩应变传递法[23]基于:地下结构地震时应变的波形与周围岩土介质地震应变波形几乎完全相似的观测结果,把地下结构的地震应变εs与没有洞穴或地下结构影响的周围岩土介质的地震应变εg用系数a联系起来εs=aεg,a看作是一个静态系数,可通过静力有限元法分析确定。地基抗力系数法[24]是将相互作用的计算模型应用于地下结构横断面地震响应分析的一种方法。周围岩土介质的作用以多点压缩弹簧和剪切弹簧进行模拟,结构可用梁元进行模拟。本方法为日本核电厂耐震设计技术指针所采用。另外为了防止和减轻地震对隧道造成的危害,他们又将隧道抗震的思想贯穿到选线、设计、施工、维修、改造的全过程。美国学者Schukla等人[25]在80年代初应用弹性地基梁原理,采用拟静力方法来考虑土体与结构的相互作用,建立了地下结构的数学模型,并用无量纲的参数将此计算结果绘成曲线图,简化了地下结构的抗震设计。St.John法[26]考虑了地震波与结构轴线的夹角不同对于结构产生的三种荷载:弯曲荷载、横向荷载、轴向荷载,引入了Peck教授提出的柔度比概念来确定土体与结构是否产生一致的运动。并对于这两种情况取弹性地基梁模型进行计算,从而得到结构的应力。80年代末90年初,J.P.Wolf和C.M.Song又提出了递推衍射法[27].其基本思想是:为了计算边界阻抗,将一无限域当作由无限个几何形状相同的单体域所组成,前者的边界阻抗可由后者的动力刚度矩阵运用一般的有限元列式,包括矩阵求逆以及与特征值相关的运算求得。在文[28]中,KojiUenishi等基于波在杆中传播的理论,给出竖向地震作用下地铁站中柱内力简化计算模型,能考虑地下结构上部荷载与结构的耦合地震反应,但没有考虑结构与土的相互作用。
综上所述,地铁结构的抗震取得了很大的成就,但是从波动理论来讲,考虑介质与结构的非线性特性、地面的影响、相邻结构的影响、波与结构的空间相互作用等还研究得不够。复杂结构理论方面对于结构在轴向载及剪切载共同作用下的破坏模式问题、结构与周围介质的非线性相互作用问题还需要澄清。地下结构抗震规范的制定也是一个迫切的任务。 考试大论坛
综上所述,可以得出下列结论:
2)地铁站作为重要的大截面建筑,最容易遭受破坏。因此需要对于地铁站钢筋混凝土结构,特别是中柱及顶板在水平荷载和垂直荷载共同作用下破坏机理的进行深入研究,确定截面应力、刚度与延性间的相互影响,为设计与施工提供指导。
4)对于不能化为平面课题的情况:地震波沿着结构轴线传播时的情况、在横截面变化时的情况、大断面地下结构(如地铁车站、地下停车场等结构)、隧道口的应力问题,用波动力学法确定地下结构的地震应力还没有得到很好的研究。对于这种课题应该发展解析法、实验和数值分析法。
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