摘要
通常认为由于地下结构受周围土体的约束作用，应具有较好的抗震性能，且在地震作用下不易遭受破坏。然而1995年日本阪神地震中，大量的地下结构遭受了严重的破坏，其中大开地铁车站甚至发生了整体塌毁破坏，这引起了工程界和国内外学者对地铁地下结构地震破坏问题的广泛关注。 近年来，我国城市轨道交通发展迅猛，截至2021年12月，已有50座城市开通地铁线路，总里程高达7210公里。然而，我国近60％的大型城市处于7度及以上烈度区，城市地铁地下结构面临严峻的地震破坏风险。地铁工程属于城市生命线工程，担负着震后应急抢险、人员疏散及避难等功能，一旦遭受破坏，修复难度大，修复成本极高。 由于地下结构埋置于土体中，结构关键构件所受轴压比较高，且抗震性能主要受围岩土体的变形约束，结构惯性力不再是主要影响因素，因此地下结构抗震研究不同于地面建筑，其抗震分析更为复杂，特别是复杂场地中的地下结构地震地震破坏反应与灾变机理、抗震性能评价等方面的研究依然处于探索阶段。 论文基于系列离心机振动台物理模型试验和数值分析方法，对于砂场地（理想的均质场地）地铁车站结构在水平地震作用和水平-竖向地震共同作用下的地震破坏反应进行了对比分析，重点对地铁车站结构的地震破坏反应、失效模式及灾变机理进行了系统的分析。在此基础上，以复杂场地现代地铁车站结构为研究对象，开展了两组液化夹层场地地铁车站结构地震破坏反应离心机振动台物理模型试验，对水平地震作用和水平-竖向地震共同作用下的液化夹层场地地铁车站结构地震反应规律与抗震性能进行了研究;并基于数值模拟方法，进一步拓展分析了不同液化夹层场地地铁车站结构地震反应的差异。 论文的主要研究工作及创新点包括: 1.结合物理模型试验和数值分析方法，再现了大开地铁车站结构震害现象，进一步深化了对地铁车站结构地震灾变机理与失效模式的认识。 开展了五组干砂场地-地铁车站结构离心机振动台物理模型试验，探讨了水平地震和水平-竖向地震共同作用下的具有不同变形能力地下车站结构的地震破坏反应，再现了日本大开地铁车站地震破坏模式。在此基础上结合数值分析方法，对地铁车站结构在水平地震及竖向地震共同作用下的地震破坏反应全过程进行了详细的分析，揭示了上覆土压力及结构构件变形能力对地下结构地震非线性反应及破坏模式的影响。通过物理模型试验及数值分析研究表明:竖向地震作用显著增加中柱的轴压水平，降低其水平变形能力，在水平地震作用下中柱出现整体剪切破坏，失去了对项板的竖向支撑作用，导致结构整体塌毁;中柱顶、底端为薄弱位置，在地震作用下最先产生混凝土开裂甚至剪切破坏的现象;地铁车站结构板、墙与板、梁交界位置（刚度突变位置）易出现受拉裂缝。 2.提出了液化夹层场地地下结构离心机振动台物理模型试验技术，开展了两组液化夹层场地地铁车站结构地震破坏反应试验研究，对复杂场地地铁车站结构的抗震性能进行了评价。 针对在建和既有地下结构位于液化夹层场地十分普遍的现状，在前期地铁车站结构的地震破坏反应与灾变机理认识的基础上，开展了液化夹层场地-地铁车站结构抗震性能研究。 关于液化夹层场地-地下结构耦合系统的离心机振动台物理模型试验及其技术目前国内外尚未见相关报道。论文首先研发了液化夹层场地地下结构离心机振动台试验的模型制作方法及监测技术，包括黏土与砂土交互的成层场地的制备、中间砂层的饱和、离心试验过程中砂土夹层超孔隙水压力的释放和地下结构层间位移的监测等。并以某实际单层双跨地铁车站结构为研究对象，开展了两组液化夹层场地地铁车站结构离心机振动台模型试验，详细分析了水平地震及水平-竖向地震共同作用下的液化夹层场地地铁车站结构地震反应规律，并结合抗震性能指标及分级限值，对其抗震性能进行了评价。研究结果表明，在水平与竖向地震作用下，按照现行规范设计的实际地铁车站结构在液化夹层场地条件下表现出了良好的抗震性能。 3.结合离心机振动台物理模型试验和数值分析方法，重点探讨了液化夹层场地不同分布对地下车站结构地震反应的影响。 建立了液化夹层场地-地铁车站结构地震反应数值分析模型，基于离心机振动台模型试验结果，对其有效性进行了验证。在此基础上，进一步拓展探讨了液化夹层场地厚度、位置及场地模量等特征对地铁车站结构地震反应的影响规律，为该类型场地地下结构的抗震设计提供了参考。研究结果表明:地下结构的地震反应随着液化夹层厚度的增加而增大;上覆土层刚度总体对地下结构地震反应的影响并不显著;当液化层位于地下结构中部时对结构的地震反应最为不利，在地下结构抗震分析中应该对该类型场地加以重视。
NETL