地下结构地震破坏机理研究

孙海峰

1)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080

2)黑龙江省地震局，哈尔滨150090

地下结构地震破坏机理研究

孙海峰1，2)

1)中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080

2)黑龙江省地震局，哈尔滨150090

为了解决车辆增多，城市交通拥挤等一系列问题，我国大中城市相继开展了大规模的地铁建设。我国已建成地铁和有地铁规划的城市中有很多地区处于地震高发地带，地下结构一旦发生震害，修复困难、代价昂贵，也将对其周围的结构造成不利的影响。大规模的地铁建设使地铁抗震问题成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要课题。本文在总结国内外有关地下结构地震反应研究的基础上，对地下结构的地震响应规律和地下结构破坏机理进行研究，取得了如下研究成果:

1 大型模拟振动台三维叠层剪切箱的研制

在总结国内外研制叠层剪切箱的基础上，首次设计并制作了国内最大的刚度可调的、可用于进行大型三维模拟振动台试验的三维叠层剪切模型箱。通过地震模拟振动台的实际测试和检验，验证了该剪切箱可使地下结构大型模拟振动台试验较好地模拟半无限域中地下结构三维地震反应。

2 黏土层中地下结构大型模拟振动台试验

利用已研制的三维叠层剪切模型箱完成了一系列不同土层、不同工况的地下结构大型模拟振动台试验。国内首次在地下结构振动台试验中，在结构内设置摄像头进行视频监控。对试验的宏观现象和选取的两次典型试验的数据以及结构内视频监控录像进行了详细分析。通过对比研究土层和地下结构加速度和频谱响应规律以及对地下结构应变、卓越频率衰减量规律和结构内视频监控录像的分析，初步揭示了黏土层中地下结构的震害机理与破坏模式。在地震荷载作用下，不同深度土体的剪切变形使地下结构发生的层间相对位移是导致地下结构破坏的主要原因。地下结构震害以柱顶及顶板和楼板与侧墙的节点处破坏为主，并且破坏程度随埋深的减小而增大。

3 大开车站地震破坏机理分析

通过对本次大型模拟振动台试验结果及对大开车站中柱破坏现象的分析，揭示了神户大开车站地震破坏机理:车站周围土层的剪切运动导致大开车站产生层间相对位移，层间相对位移使车站中柱顶部和底部产生了较大的剪力和弯矩，过大的剪力和弯矩导致混凝土中柱出现裂缝、剥落，此时，中柱的钢筋已经失去保护层，承载力降低，随着层间相对位移的往复运动，中柱钢筋逐渐弯曲形成“灯笼形”，核心混凝土在失去外部钢筋承载力后，随着层间相对位移的继续往复运动，核心混凝土逐渐破裂脱落，最终导致了车站的破坏。层间相对位移也在顶板和楼板与侧墙节点处产生较大的弯矩，在竖向荷载和层间相对位移的共同作用下，顶板和楼板与侧墙节点处出现裂缝，最终破坏。

4 可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验

完成了可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验。通过对比可液化砂土层中和黏土层中地下结构振动台试验中加速度放大系数、应变、卓越频率衰减量规律和结构内视频监控录像可以发现，相同峰值地震动输入时，相同埋深处的黏土层中地下结构的加速度放大系数、应变及卓越频率衰减量大于砂土层中地下结构加速度放大系数，这表明砂土液化对地下结构有减震作用。从试验后检验也可发现，液化后的土体中，试验模型没有明显的破坏，但液化后由于孔隙水压力增加，使得模型结构产生了明显上浮，当孔压消散后，模型结构产生了沉降。对于本次试验，由于砂土层是水平成层的，试验模型仅是独立的地铁车站模型，结构上浮或沉降基本上是均匀的，而在实际地铁工程中，隧道或地铁车站多处于不均匀土层中，液化后将导致严重的不均匀上浮或沉降，这将引起隧道或结构的断裂等严重破坏。

5 三维有限元数值模拟分析

为了实现在ABAQUS中用有限的模型土模拟半无限空间土体，探索了将加速度时程转化为力时程，并在底边界添加阻尼器的方法来实现在ABAQUS应用粘性边界条件的方法，并通过波源问题和散射问题证明了此方法的合理性。

分别建立了模型试验及原型地铁车站三维有限元数值模拟模型，并将粘性边界条件及土体等效非线性化模型参数确定方法引入ABAQUS。通过对比模型试验结果和模型数值模拟结果，检验了振动台试验和数值模拟结果的可靠性。对原型结构的三维有限元数值模拟进一步揭示了地下结构地震破坏机理:层间相对位移是多层地下结构破坏的主要原因，顶层柱顶和楼板与墙、柱节点处容易发生弯剪破坏，是整个地下结构地震响应中最薄弱环节。

(作者电子信箱，孙海峰:sunhaifeng3639@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.012

振动台试验;数值模拟;边界条件;有限元;层间相对位移