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二、竖向地震作用分析
采用冲量原理推导的竖向地震作用墓本计算公式为[1]:
任意水平截面竖向地震力FEVa:
现以上述公式,对图工中的中柱震害进行分析。
1.线路段中柱震害
以图2为计算单元。
将结构及上部土层分成两个重力点:
G1为顶板及上部土层重,G2为底板重(柱子重力可化至G1和G2,也可略去)。
结构及土层总重为:
G=G1+G2。
为计算简便,可将土层厚度化为等效的混凝土厚度。
取土的重力密度v=18kN/m8,混凝土的vc=25kN/m8,则等效厚度h=8mx18/25=5.76m。
此时,上部土层及顶板的总厚度H1=5.76m+0.8m=6.56m,底板厚度H2=1.0m。
在用公式
(1),式(3)计算时,便可用H1代G1,H2代G2。
由于三宫地段的竖向地震加速度未明确,现按《地震烈度表》中的10度考虑,并取竖向加速度为2/3水平加速度,即av=640ga1,av=
说明竖向地震力相当于倍静重力。
按旧规范单一安全系数法,受压构件安全系数为。
可知静重力加上竖向地震力,已达到了极限状态,柱子产生竖向裂缝是必然的。
2.站房中柱震害
单元如图3。
将结构分为三个重力点,G1为土层及顶板重力,G2为二层楼板重力,G3为底板重力。
仍采用上述同样方法,可计算出上柱及下柱竖向地震力及竖向地震力与静重力的比值,列于表1.
由表1可以看出,上柱竖向地震力为静重力的倍,下柱为倍,均超过了允许强度。
下柱为钢管混凝土柱,抗压性能较好,才米破坏。
日本大林组技术研究所调查报告*中介绍了当下柱为普通钢筋混凝土柱时,也发生了破坏,但比上柱为轻,仅表现为柱的中间部位钢筋保护层脱落,钢筋外露。
由表1可以进一步看出,上柱不仅表现为FEVi/Gi的比值大于下柱,而且竖向地震力与静重力之和的绝对值,也大于下柱。
如上柱竖向地震力与静重力之和为(AxBxvc),而下柱仅为(AxBxvc),上柱为下柱的倍。
但在设计中,上柱的截面或配筋,一般均小于下柱,这种反差,造成上柱震害偏重。
笔者曾多次阐明:
竖向地震力不是结构底部最大,当n>
1时,竖向地震力与自重相加的最大值,也不是在结构根部。
分析各类结构的震害,均证明了这一点。
这一概念应当引起注意。
三、上部土层厚度与震害的关系
从以上分析可以看出,站房上部土层仅为3m,而线路段为8m,反而站房上柱震害比线路段中柱震害要重得多。
虽然二者结构形式不同,但也反映出土层厚度薄,震害较重。
现以线路段为例,设土层厚度分别为4m,8m,12m,20m,25m,计算竖向地震力与静重力的比值,以及各种情况竖向地震力绝对值的相对关系,以分析土层厚度对震害的影响。
计算结果列于表2。
从表2中可以看出,土层越薄,竖向地震力与静重力的比值越大,震害也越重。
当土层厚度在20m以上,其比值已小于3000,一般不会发生震害。
表2中以4m厚土层的竖向地震力绝对值为10000,25m厚时才12300,可见竖向地震力的绝对值增加较小。
这一分析,对抗震设计是有意义的。
四、结语
通过本文分析,可以看出采用冲量原理计算竖向地震作用,基本上反映了震害特征和。
在此,可以得出以下几点概念:
1.竖向地震力沿结构高度的分析,不是结构下部最大。
通过站房中柱的比较,上柱的竖向地震力与静重力之和,大于下柱,其震害上柱必然偏重。
2.地下结构上部土层越厚,竖向地震力与静重力的比值越小,震害也越轻。
当上暴厚度大于20m时,一般不会发生震害。
3.地下结构必须考虑竖向地震作用,通过计算判断抗竖向地震作用的能力。
参考
〔1〕杨春田、于淑琴,烟囱在竖向地震作用下计算方法的探讨,《特种结构》1989,2
育龙网校0M2009年05月11日来源:
互联网
核心提示:
摘要地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。
1995年阪神大地震发生之前,很少有大型地下结构在地震中严重破坏的道。
然而,阪神大地震
摘要地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。
然而,阪神大地震中,包括诸如地铁车站及区间隧道等结构在内的大量大型地下结构出现严重的破坏,使人们对地下结构的抗震安全性产生怀疑。
初步研究表明,地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征,在某些情形下,同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。
关键词地震地铁破坏
1前言
随着社会经济的发展和城市人口的激增,地面交通愈来愈不堪重负。
为了减少地面交通量,人们开始寻找新的交通模式,地铁应运而生。
自北京建成地铁以来,目前我国天津、上海、广州已相继建成地铁1号线,南京、青岛、大连、深圳等城市正积极开展修建地铁的筹备工作。
据不完全统计,在全国21个百万人口以上的城市中将筹建33条总长为649km的地铁和轻轨。
几条海底隧道和过江隧道也正在积极论证中。
我国地处于环太平洋地震带上,地震活动性非常频繁,是世界上最大的一个大陆浅源强震活动区。
根据现行地震烈度区划图,我国大部分地区为地震设防区,在全国300多个城市中,有一半位于地震基本烈度为7度乃至7度以上的地震区,23个百万以上人口的特大城市中,有70%属7度和7度以上的地区,像北京、天津、西安等大城市都位于8度的高烈度地震区,南京也位于7度区内。
地震对地面结构所造成的破坏是人所共知的,地面结构的抗震研究也达到实用阶段,各国已制订了各种地面结构物的抗震设计规范;
对地下结构的地震破坏却知之不多,地下结构的抗震研究才刚刚开始,现在还没有地下结构抗震设计的规范。
国内除了对地下管线的抗震作过一些分析外,对于像地铁车站及区间隧道等这样的大型地下结构很少涉及。
这是因为:
和地面结构相比,面波随着埋深的增加急剧衰减,对地下结构的影响较小;
地下结构四周的岩土介质把从震源传来的地震波能量中的高频成分吸收,使地下结构受到的地震荷载大大减小;
同时地下结构的数量不多,并且大部分是小型地下结构如地下管线等,因而地下结构震害数量较少,程度较轻,地下结构严重震害事例更是寥寥无几。
工程界只片面强调地下结构受四面地层制约、抗震性能较好的一面,人们简单认为地下结构在地震时是安全稳固的,致使地下结构抗震研究严重滞后于地面结构抗震研究。
随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大,地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。
2地下结构在地震中的动态反应特性
地下结构在地震作用下,由于四周岩土介质的存在,会发生不同于地面结构的响应。
地震以地震波的形式传播能量,当地震波从基岩传入场地时,土壤介质在地震波的作用下,会产生运动,同时将运动传递给地下结构。
对于小断面地下结构,在动力荷载作用下,土结构相互作用可以忽略,此时地下结构随自由场土介质一起运动,因而动应力较小。
而当地下结构存在明显的惯性或者土-结构间的刚度失配时,地下结构会产生过度变形导致地下结构的破坏。
此时,地下结构与四周岩土介质之间会发生运动相互作用和惯性相互作用。
考虑动力相互作用对结构体系的影响主要有:
作用在土结构体系的地震输入运动会发生变化;
由于土的存在,体系变得更加柔性,使结构感觉到的输入相当小;
从结构物向外传播的波能辐射会增加最终动力体系的阻尼,对于近似弹性半空间的土壤场地,这种阻尼的增加很明显,导致动力反应急剧降低。
根据大量的地震观测,发现地下结构与地面结构反应特性的差异主要表现为:
地下结构的振动变形受四周地基土壤的约束作用显着,结构的动力反应一般不明显表现出自振特性,非凡是低阶模态的影响;
线形地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大,入射方向发生不大的变化,地下结构各点的变形和应力可以发生很大的变化;
地下结构在振动中各点的相位差别十分明显;
地下结构在振动中的主要应变一般与地震加速度大小的联系不很明显,对地下结构动力反应起主要作用的因素是地基的运动变形,而不是地基加速度。
地下结构的破坏有以下主要特征:
地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域,如地层由硬质到软质的过渡地带,或由挖土到填土的过渡地带。
在这些区域内,由于区域、地质条件的变化或地形的变化,地层振动及位移响应也有较大不同,因而在其中产生大的应变,使地下结构遭受破坏。
相反,若某一地区地层较为均匀,即使地震中的烈度较大,其中的地下结构也往往会较为安全。
这一点不同于地面结构。
在结构断面外形和刚度发生明显变化的部位也轻易发生破坏。
墨西哥地震中发生的盾构法隧道与竖井连接部的环间螺栓被剪断即是由于结构断面的急剧变化而使不同断面处产生了不同的响应的结果。
因此,地下结构与竖井、楼房等的结合部,地下结构断面发生突变处,地下与地面结构的交界处如隧洞的进出口部位,隧洞的转弯部位及两洞相交部位,均为抗震的薄弱环节。
在地层发生液化处,当地下结构穿越断层地域或结构与断层、软弱带相交的部位等时,也都易对地下结构造成破坏。
3阪神地震中地铁结构的破坏情况
阪神地震对地铁结构造成的破坏为世界地震史上大型地下结构在地震中遭受严重破坏的首例。
在神户市内2条地铁线路的18座车站中,神户高速铁道的大开站、高速铁道长田站及它们之间的隧道部分,神户市营铁道的三宫站、上泽站、新长田站、上泽站西侧的隧道部分及新长田站东侧的隧道部分均发生严重的破坏。
在所受到的破坏中,有以下共同的部分:
它们都位于烈度为7的地区;
它们在建造时均采用了明挖法;
断面结构形式为带有中柱的箱涵形框架结构;
它们的原设计中均未考虑地震因素。
归纳起来,神户地铁结构的破坏有以下主要特点:
不对称结构发生的破坏比对称结构严重。
上层破坏比下层破坏严重。
车站的破坏主要发生在中柱上,出现了大量裂缝,有斜向裂缝,也有竖向裂缝,裂缝的位置有偏于上下端的,也有位于中间的;
柱表层混凝土发生不同程度的脱落,钢筋暴露,有的发生严重屈曲,有单向屈曲,也有对称屈曲的;
大开站有一大半中柱因断裂而倒塌。
有横墙处,中柱破坏较轻。
地下结构上部土层厚度越厚,破坏越轻。
站房上层中柱的中间部位几乎压碎,而线路段中柱仅在中间位置出现竖向裂缝。
纵墙和横墙均出现大量的斜向裂纹,非凡是在角点部位。
顶板、侧墙也受到不同程度的损害,且其破坏程度与中柱密切相关;
当中柱破坏较为严重时,顶板和侧墙就会出现很多裂缝,以至坍塌、断裂等。
区间隧道的破坏形式上主要是裂缝;
其中多为侧墙中部的轴向弯曲裂缝。
在接头处也有损害:
混凝土脱落,钢筋外露以及竖向的裂缝。
在破坏较严重处,中柱的上下端也有损坏。
4神户市地铁破坏研究的初步结论
神户地震发生后,地震工作者对地震破坏展开系统的研究。
其中对地下结构破坏的研究出现前所未有的热潮。
研究采用模型实验、理论分析和数值模拟等多种途径相结合,其研究结论可归纳为以下几点:
地震时相邻地层间的相对位移是影响地下结构破坏的主要指标。
研究结果显示相对位移较大处,地下结构破坏严重,相对位移较小处,破坏较轻,这与实际震害相符。
在水平地震动作用下,地下结构产生平时使用状态下所没有的较大的水平剪力和弯矩,使中柱中的剪力超过其抗剪强度产生剪切破坏,中柱的破坏是整个地铁结构破坏的根本原因。
竖向震动使中柱轴力大幅增加,水平震动和竖向震动的共同作用加剧抗震的薄弱环节———中柱的破坏。
地震中竖向震动在地下结构中所起的作用不能忽视,非凡是应考虑竖向震动与水平震动产生的内力的共同作用,不应仅将结构中轴力弯矩等内力分别与各自强度进行校核。
由于地层条件及截面尺寸的变化,在相邻地层、相邻构件间产生的竖向相对位移对结构内力的影响也不能忽视。
这与美国60年代修建旧金山海湾地区快速地铁运输系统时,所得到的地铁震害是由于土体的地震变形作用于地下结构,从而使结构产生应力和位移,最终导致地下结构破坏的设计经验是一致的。
5地铁建设中考虑地震的必要性和避免地震破坏的措施
由于以前的地震中地下结构震害事例较少、程度较轻,人们逐渐形成了这样一个观点:
即地下结构具有较强的抗震性能,地震中不易遭受破坏。
但通过对这个问题仔细分析即可发现,城市地下空间的大规模开发以及地下结构的大量建设是近年才出现的。
在日本关东地震和我国唐山地震时代,东京和唐山市内的主要地下结构仅为一些给排水管道,数量不多,分布也不广泛。
近年来,随着城市地下空间的开发利用,地铁系统、盾构法隧道、地下商业街、地下停车场及共同沟等大量兴建。
而这些地下结构基本上还未曾经历过大的地震,它们真正的抗震性能也未得到检验。
因此并不能简单地认为地下结构抗震性能好、地震中不易破坏。
这一点已被1995年阪神大地震所证实。
这次地震不仅使城市生命线工程遭到严重破坏,地铁车站及区间隧道等大型地下结构也受到破坏,其中产生了地铁车站完全倒塌而不能使用的先例。
地铁的破坏,造成了极其严重的经济损失,给神户市的震后恢复重建工作带来严重影响,其本身的维修也非常复杂。
阪神地震使工程界熟悉到必须重新具体评价地下结构抗震安全性,加强研究地下结构的抗震性能,对地下结构抗震设计提出相应的建议和抗震措施,这在大力提倡城市地下空间开发利用的21世纪,具有重要的理论意义和工程实用价值。
由于地铁是投资非常庞大的基础工程,是城市生命线工程的重要组成部分,地铁的破坏和功能丧失,不仅会使经济上蒙受严重损失,同时会产生严重的社会和政治影响。
要把地铁结构设计成能反抗四周地层介质的地震运动和变形是不可能的,必须使地下结构具有吸收强变形的延性,能承受四周地层介质的变形,并且不散失承受静载的能力,而不应是使地下结构抵御惯性力,从而使人们改变以往单纯依靠增强结构强度来提高抗震性能的传统观点。
根据各国地下结构的震害分析,提高地下结构抗震能力可从以下方面采取措施:
将地下结构建于均匀、稳定地基中,远离断层,避免过分靠近山坡坡面,避免山坡不稳定地段,尽量避免饱和砂土地基而减少地震液化;
在相同条件下,尽量选取埋深较大的线路,远离风化岩层区;
区间隧道转角处的交角不宜太小,应加强出入口处的抗震性能;
在施工条件答应的情况下,尽量采用暗挖法施工,即使用明挖法,也要注重回填土的性质与地基土类型相似;
在结构中柱和梁或顶板的节点处,应尽量采用弹性节点,而不应采用刚性节点,这样可以减小中柱承受的外力。
前苏联在修建塔什干地铁时,采用了中柱顶端与横梁活动连接的方式便是实例。
总之,阪神大地震提醒人们,地下结构在地震时并不是绝对安全的。
以前地下结构地震震害轻数量少并不能说明地下结构在地震时安全。
在大力提倡开发利用地下空间的今天,修建地铁已成为解决城市交通和城市污染等“城市综合症”的重要途径。
而有些待修建地铁的城市,其地基状况并不很好,如南京,地铁沿线地基土层不均匀,并且还有活动断层通过。
对于类似情况,应在设计和施工中予以充分考虑,使其安全系数足够大。
我们应汲取阪神地震的沉痛教训,防患于未然,做到即使在修建地铁的大城市发生强烈地震,也能确保地铁结构的安全和畅通。
参考文献
1林皋.地下结构抗震问题.见:
第四届全国地震工程会议论文集.1994
2林皋.地下结构的抗震设计.土木工程学,1996
3马险峰等.神户市地铁车站的震害及修复.铁道工程学,1998
4雷谦荣译.地震对地下洞室的破坏.地下空间,1992
5傅冰骏.对我国岩石力学与工程学科发展的若干思考.见:
面向国民经济可持续发展战略的岩石力学与岩土工程,1998
6胡聿贤.地震工程学.北京:
地震出版社,1989
.
Cementandconcretecomposites,1997
1996
基于子结构法的地铁车站地震反应分析
2008-12-1416:
03:
00 【】
摘要:
对1995年日本阪神地震中地铁车站的破坏情况进行了调查,深入分析了地铁车站的地震破坏机理。
采用二维子结构分析方法(SASSI2000)分别对水平向和竖向地震动作用下神户大开地铁车站的地震反应进行了数值模拟分析。
在建模时把地铁车站上方的土体作为车站的附属结构,首先采用SHAKE91程序计算自由场土体的动剪切模量和阻尼比,在SASSI2000中不再考虑土体的非线性。
将计算结果与1995年阪神地震中该车站的震害进行了详细地对比分析发现所得的地震反应规律与其震害完全吻合,其计算结果能够合理的解释神户大开地铁车站的各种震害现象。
因此,对地下车站的抗震设计具有一定的参考价值和指导意义。
关键词:
地铁车站;
子结构法;
抗震设计;
地震反应
1前言
以往人们普遍认为,地下结构具有较好的抗震性能,但全球范围内多次地震震害的破坏现象显示,在地震作用下现有的地下结构并不安全,有时甚至会发生严重的破坏,特别值得指出的是1995年级日本“阪神地震”,对神户市内地下结构造成了有史以来最严重的破坏,铁路、停车场、隧道、商业街等大量地下工程均发生严重破坏,其最引人注意的是地铁车站的破坏最为严重,在这次地震中,共有5个车站和约3km的地铁区间隧道发生破坏,其中大开车站最为严重,一半以上的中柱完全坍塌,导致顶板坍塌破坏和上覆土层的沉降,最大沉降量达2.5m之多。
据神户高速铁路公司报道,不计高架桥结构破坏造成的损失约为300亿日元,修复大开站需要100亿日元,修复隧道约180亿日元。
目前关于地下结构抗震设计的主要方法为反应位移法,该方法由20世纪70年代日本学者提出[1],该方法假定地下结构和周围地层之间通过各种弹簧连接,把由地震荷载引起的自由场变形直接通过文克尔土体弹簧作用于地下结构,把土体质点位移以正弦曲线的形式给出。
这种简化模型的确给地下结构的抗震设计带来了很大的方便。
但是,由于土体在地震作用下的动力特性非常复杂,又存在地区的差异性,因此很难准确地确定这种土体弹簧在地震荷载作用下的弹簧系数。
同时,该方法没有考虑结构本身的惯性力,采用了拟静力计算方法,因此很难真实地反应地震时地下结构的响应。
随后,有许多学者在反应位移法的基础上提出改进或类似的方法,如Shukla,Rizzo(1980年)提出了Shukla法,John,ZahrahTF(1987年)提出了ST.John法。
相比而言,动力有限元分析方法考虑的更为全面,在Zienkiewicz等提出了动力有限元法后,Newmark(1959年)、Wilson(1973年)等分别提出的逐步积分法更是为动力有限元法的发展和应用提供了动力。
近几年,JunSeongChoi(2002年)等基于大型有限元软件ANSYS的计算平台,考虑结构与土体之间的分离和相对滑动,采用二维有限元整体分析方法对非线性土体-地下结构的动力相互作用进行了数值模拟,给出了矩形地下结构内由地震荷载引起的动内力分布图;
HongbinHuo(2003年)等基于ABAQUS有限元软件计算平台,考虑竖向地震和水平地震的共同作用,用无限元与有限元的耦合来考虑由有限空间代替无限半空间而引起的边界问题。
本文基于JohnLysmer等提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法(美国伯克利大学开发的通用SASSI2000程序),在建模上进行创新,分别考虑竖向地震和水平向地震作用下,对在1995年日本阪神地震中破坏最为严重的大开地铁车站进行了地震反应分析,对其震害作了深入的分析和探讨。
2计算原理
结构分析的子结构法最早是为解决飞机结构这类大型和复杂结构的有限元分析问题而建立起来的,而后才被用于共同作用分析。
用子结构法计算土与结构的动力相互作用问题是一个非常简便的方法。
在这个方法中,把线性的土与结构相互作用问题分解成一系列简单的子问题,对每个子问题分别求解,最后利用叠加原理把分析的结果建立联系,得出问题的最终整体解。
处理土与结构之间相互作用的方法有很多,根据对土与结构接触面上结点自由度处理方法的不同,主要使用以下4种分析方法:
(1)刚性边界方法;
(2)柔性边界方法;
(3)柔性体法;
(4)子结构缩减法。
JohnLysmer等提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法(SASSI2000)主要采用柔性体法和子结构缩减法,该方法主要适用于上部结构基础与土体的动力相互作用问题(见图1,图中i表为土与结构接触面上的相互作用节点号,w为开控区域内部的节点号;
s为上部结构的节点号;
g为土体的结点号)。
本文采用子结构缩减法处理土与结构的动力相互作用,其基本概念如图1所示,其中图1(a)为整个土与结构相互作用体系;
图1(b)为子结构Ⅰ,也就是自由场;
图1(c)为子结构Ⅱ,即为开挖土部分,这部分在开挖后由基础所取代;
图1(d)为子结构Ⅲ,即上部结构部分。
将3个子结构组合起来就形成了整个相互作用体系。
在这个体系中,假定自由场与开挖土部分的相互作用仅发生在二者的接触节点上。
图1(b)、图1(c)、图1(d)表示出了子结构法求解土与结构相互作用问题的基本概念。
结构动力问题的基本运动方程
式中[M]和[K]分别为结构的质量矩阵和刚度矩阵。
将式
(1)运用于土与结构相互作用问题中,则可得土与结构相互作用问题的基本运动方程
式中[M]为总质量矩阵;
[K]为总刚度矩阵;
{U}为所有节点的位移向量;
{Q}为所施加的动荷载或地震激励。
通常,所记录到的地震动都是离散形式的,每个记录到的地震动都含有不同的频率分量,因此,荷载和位移向量可以用频率表示
式中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ为指3个子结构的编号。
方程式左边的频率复相关动刚度矩阵,是指从自由场和上部结构的动刚度矩阵中减去开挖土的动刚度矩阵后得到的。
频率相关项Xii为地基阻抗系数,其他符号意义同图1。
3计算模型及其参数的选择
日本神户大开地铁车站始建于1962年,用明挖法构建,有两种断面形式,底板、中柱和侧墙为现浇钢筋混凝土结构,本文取混凝土的泊松比为,重度为25kN/m3,弹性模量为×
104MPa。
该车站的中柱间距为3.5m,大开车站结构所用混凝土的设计强度估算值为:
轴心抗压强度为×
104kPa,弯曲抗压强度为×
104kPa,抗拉强度为×
103kPa。
大开地铁车站上方覆土厚度在标准段为4~5m,为了考虑中柱的间距对二维有限元分析的影响,采用中柱弹性模量折减法,算得中柱的等效模量为×
104MPa;
大开地铁车站所处地层的主要组成为:
表层为填土;
下面为全新世砂土,该层厚度约为3m;
再下为海积相粘土,该层厚度约为9m;
最
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