構件失效引起矩形地下結構地震變形模式改變
發(fā)布時(shí)間: 2022-02-09 點(diǎn)擊數量:3001研究背景:
城市地下空間的開(kāi)發(fā)充分利用了城市空間資源,為人們的生活提供了極大的便利。然而,歷次大地震震害調查表明地下結構面臨較大的地震災害風(fēng)險。國內外的研究學(xué)者針對著(zhù)名的1995年阪神地震中大開(kāi)車(chē)站地震破壞案例進(jìn)行了大量的研究,然而大多數的研究都沒(méi)有實(shí)現對大開(kāi)車(chē)站倒塌演化全過(guò)程的模擬;結構的承載能力通常具有一定的冗余度,某一結構構件實(shí)效會(huì )引起結構性能的退化,以往的研究中未給出大開(kāi)車(chē)站性能退化過(guò)程,因此對于其破壞機理的解釋仍存在一定的局限性。本文給出了能夠重現地下結構倒塌過(guò)程的非線(xiàn)性時(shí)域數值模擬方法,重現了阪神大地震中大開(kāi)車(chē)站的災變演化過(guò)程,并對由于中柱實(shí)效而引起的矩陣地下結構抗震性能退化機理進(jìn)行了研究。
研究方法及結果:
1.本文首先提出了一個(gè)便于工程應用的三維土體彈塑性本構模型。本模型基于邊界面模型理論,在歸一化偏平面中建立投影法則給出應力狀態(tài)參量(見(jiàn)圖1);采用土體材料模量與圍壓的經(jīng)驗關(guān)系描述圍壓改變引起的土體模量變化;并根據偏應力不變量建立應力等效關(guān)系,將一維Pyke模型拓展到三維應力空間并以此推導塑形模量(見(jiàn)圖2)。
圖1 歸一化偏平面內的投影法則
圖2 應力等效關(guān)系
2.本文依據大開(kāi)車(chē)站的震害調查資料,建立三維非線(xiàn)性有限元模型(見(jiàn)圖3),采用時(shí)域動(dòng)力顯式有限元分析方法重現了大開(kāi)車(chē)站在雙向地震動(dòng)共同作用下的坍塌過(guò)程及其“M”型破壞模式(見(jiàn)圖4),給出了中柱混凝土實(shí)效演化過(guò)程(見(jiàn)圖5)。
(a) 場(chǎng)地條件
(b) 有限元網(wǎng)格
圖3 有限元模型
圖4 大開(kāi)車(chē)站破壞模式
(a) 壓損傷
(b) 殘余強度
圖5 大開(kāi)車(chē)站破壞模
3.根據數值模擬得到的結構變形演化過(guò)程(見(jiàn)圖6),可以將大開(kāi)車(chē)站的破壞分為三個(gè)階段:I)中柱在水平和豎向地震動(dòng)共同作用下失效;II)中柱承擔的上覆土和后續地震荷載向頂板轉移,并引起頂板混凝土損傷發(fā)育;III)頂板破壞沉降引起結構整體垮塌。通過(guò)對比有無(wú)中柱截面的地震變形模式(見(jiàn)圖7),可知結構幾何形狀(頂板和側壁的剛度比)對地下結構的地震響應有很大的影響;頂板的剛度大于側墻的剛度,有利于地下結構的抗震。
(a) 水平
(b) 豎向
圖6 頂板和底板間動(dòng)相對變形
圖7 橫截面變形模式(放大20倍)
該成果發(fā)表在國際權威期刊《Tunnelling and Underground Space Technology》(Rui Dong, Liping Jing *, Yongqiang Li, Zhiyong Yin, Gang Wang, Kunpeng Xu. Seismic deformation mode transformation of rectangular underground structure caused by component failure, 2020, 98: 103298)(IF:4.450,*通訊作者)。