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研究亮點(diǎn)
構(gòu)件失效引起矩形地下結(jié)構(gòu)地震變形模式改變
發(fā)布時間： 2022-02-09 點(diǎn)擊數(shù)量：2415研究背景：
城市地下空間的開發(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(diào)查表明地下結(jié)構(gòu)面臨較大的地震災(zāi)害風(fēng)險。國內(nèi)外的研究學(xué)者針對著名的1995年阪神地震中大開車站地震破壞案例進(jìn)行了大量的研究，然而大多數(shù)的研究都沒有實(shí)現(xiàn)對大開車站倒塌演化全過程的模擬；結(jié)構(gòu)的承載能力通常具有一定的冗余度，某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)效會引起結(jié)構(gòu)性能的退化，以往的研究中未給出大開車站性能退化過程，因此對于其破壞機(jī)理的解釋仍存在一定的局限性。本文給出了能夠重現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)倒塌過程的非線性時域數(shù)值模擬方法，重現(xiàn)了阪神大地震中大開車站的災(zāi)變演化過程，并對由于中柱實(shí)效而引起的矩陣地下結(jié)構(gòu)抗震性能退化機(jī)理進(jìn)行了研究。
研究方法及結(jié)果：
1.本文首先提出了一個便于工程應(yīng)用的三維土體彈塑性本構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)參量（見圖1）；采用土體材料模量與圍壓的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系描述圍壓改變引起的土體模量變化；并根據(jù)偏應(yīng)力不變量建立應(yīng)力等效關(guān)系，將一維Pyke模型拓展到三維應(yīng)力空間并以此推導(dǎo)塑形模量（見圖2）。
圖1 歸一化偏平面內(nèi)的投影法則
圖2 應(yīng)力等效關(guān)系
2.本文依據(jù)大開車站的震害調(diào)查資料，建立三維非線性有限元模型（見圖3），采用時域動力顯式有限元分析方法重現(xiàn)了大開車站在雙向地震動共同作用下的坍塌過程及其“M”型破壞模式（見圖4），給出了中柱混凝土實(shí)效演化過程（見圖5）。
（a） 場地條件
（b） 有限元網(wǎng)格
圖3 有限元模型
圖4 大開車站破壞模式
（a） 壓損傷
（b） 殘余強(qiáng)度
圖5 大開車站破壞模
3.根據(jù)數(shù)值模擬得到的結(jié)構(gòu)變形演化過程（見圖6），可以將大開車站的破壞分為三個階段：I）中柱在水平和豎向地震動共同作用下失效；II）中柱承擔(dān)的上覆土和后續(xù)地震荷載向頂板轉(zhuǎn)移，并引起頂板混凝土損傷發(fā)育；III）頂板破壞沉降引起結(jié)構(gòu)整體垮塌。通過對比有無中柱截面的地震變形模式（見圖7），可知結(jié)構(gòu)幾何形狀(頂板和側(cè)壁的剛度比)對地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有很大的影響；頂板的剛度大于側(cè)墻的剛度，有利于地下結(jié)構(gòu)的抗震。
（a） 水平
（b） 豎向
圖6 頂板和底板間動相對變形
圖7 橫截面變形模式（放大20倍）
該成果發(fā)表在國際權(quán)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）。
