采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究.pdf
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1、Earthquake Resistant EngineeringandRetrofitting2023Vol.45,No.31002-8412(2023)03-0091-11D0I:10.162261002-8412.2023.03.012文章编号Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.20232023年6 月Vol.45,No.3第45 卷第3 期工程抗震与加固改造采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究杜修力,潘颖超,赵密,黄景琦(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京10 0 12 4;2.北京科
2、技大学城市地下空间工程北京市重点实验室,北京10 0 0 8 3)提要基于高轴压比下中柱侧向变形能力不足导致含内柱框架式地铁车站结构地震破坏的机理认识,部分研究者在保证中柱竖向承载力不变的前提下,提出了分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等几种新型功能柱以提高中柱侧向变形能力,进而提高车站结构抗震性能。当前对新型功能柱在地震作用下的力学行为已开展了大量研究,但对不同柱体形式对车站结构整体抗震性能提升效果并未开展系统评价,且缺乏直接对比研究。首先,针对某单层双跨地铁车站结构建立整体三维非线性数值分析模型,开展不同地震波及不同地震强度下传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等4种中柱形式下的地震响应计算,从车
3、站层间变形、整体损伤及关键构件内力响应等方面对新型功能柱的减震效果进行对比评价。研究结果表明:在降低车站结构混凝土损伤方面,截断柱效果最佳,叠层夹芯柱次之,分体柱最弱;3 种新型功能柱在提高结构中柱延性方面,叠层夹芯柱效果最佳,截断柱次之,分体柱最弱;在降低结构中柱内力响应方面,叠层夹芯柱最佳,分体柱次之,截断柱最弱。相关研究结果可为含内柱框架式地铁车站结构减震设计提供理论指导。关键词地铁车站结构;新型功能柱;抗震性能;地震响应;数值分析中图分类号TU375.4文献标识码AComparative study on seismic performance of underground stati
4、on structure with differentnew functional columnsDu Xiu-li,Pan Ying-chao,Zhao Mi,Huang Jing-qi(1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering ofMinistry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Beijing Key Laboratory of Urban UndergroundSpace Engineering,Univ
5、ersity of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Based on the fact that the lateral deformation ability of the middle column is insufficient under high axial compression ratio,and the understanding of the seismic failure mechanism of the underground station frame structure with
6、 inner columns,under thecondition that the vertical bearing capacity of the columns remain unchanged,some researchers suggested several new types offunctional columns,such as split column,segment cored column and truncated column,to improve the lateral deformation capacity ofthe columns in the struc
7、ture,and then improve the seismic performance of the station structure.Currently,a lot of studies have beencarried out on the mechanical behavior of new functional columns under earthquake,but there is no systematic evaluation on theeffectiveness of different column forms on the overall seismic perf
8、ormance of station structures,and there is a lack of direct comparativeresearch.First of all,an integral three-dimensional nonlinear numerical analysis model is established for a single-story and double-spanunderground station structure;the seismic response calculation of traditional square column,s
9、plit column,laminated sandwich columnand truncated column under different earthquake intensity is carried out,and the damping effect of the new functional column iscompared and evaluated from the aspects of interlayer deformation,integral damage and internal force response of key members.Researches
10、show that,in terms of reducing the concrete damage of underground station structure,the truncated column is the best,thesegment cored column is the second,and the split column is the weakest.In the aspect of improving the ductility of the three newfunctional columns,the segment cored column is the b
11、est,the truncated column is the second,and the split column is the weakest.For收稿日期2022-01-18基金项目国家自然科学基金联合基金项目(U1839201)Jun.Earthquake ResistantEngineeringgandRetrofitting2023922023年6 月工程抗震与加固改造reducing the internal force response of the column in the structure,the segment cored column is the best,t
12、he split column is thesecond,and the truncated column is the weakest.The relevant research results could provide theoretical guidance for the shock-absorbing design of underground station frame structure with inner columns.Keywords:underground station structure;new functional column;seismic performa
13、nce;seismic response;numerical analysisE-mail:1引言当前我国正处于城市地下轨道交通工程的迅猛发展时期。“十三五”期间,我国城市轨道交通运营线路长度已达2 16 8 3.1公里,累计完成客运量共968.4亿人次。仅2 0 2 0 年,地铁里程数单年增长1122.19公里 1。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2 0 3 5 年远景目标纲要【2 在建设现代化基础设施体系、打造数字经济、促进区域协调发展等多个方面均明确要求加快建设交通强国。而我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间,全国半数以上的大中城市位于强震区,大规模的地铁工程建设面临
14、严重的地震灾害威胁。历史震害调查表明地铁结构在地震中一旦受到破坏,将会给震后的应急和修复工作带来巨大的困难。因此,开展地铁车站结构抗震能力及性能提升技术研究具有重要意义。在地下结构发展初期,由于缺乏对地下结构地震响应特性的认知,通常认为地下结构由于受到周围围岩土体的约束,其抗震性能远优于地上结构而不会遭受严重破坏,地下结构的抗震研究未得到足够重视。然而在近几十年的多次大地震中,地下结构均出现了严重破坏案例 3-9 。其中,最为严重的震害案例为19 9 5 年阪神地震中的大开地铁车站,其站内3 0 根中柱均出现了严重的压弯、压曲及钢筋屈曲,车站顶板发生塌陷,整体形状呈“M形破坏 10 之后,国内
15、外学者采用数值分析、模型试验等手段对大开地铁车站的破坏过程及机理开展了系统研究工作。相关研究成果表明:相对于连续的侧墙,中柱作为中断独立的竖向承力构件,其轴压比远大于侧墙,上覆土惯性效应引起轴压比的增加使得中柱抗剪切变形能力急剧下降而发生破坏,丧失竖向承载能力,进而引发车站结构顶板塌,造成车站整体成“M”型破坏-5 。因此,中柱为地下框架式车站结构的抗震薄弱部位,中柱变形能力不足是造成框架式车站结构破坏的重要原因。基于中柱变形能力不足这一破坏机理,当前针对含内柱的框架式车站结构的抗减震措施主要围绕增大中柱变形能力及减小中柱变形荷载两个方向开展研究,提出的中柱减震措施相应的可分为两类:一类为设置
16、隔震支座以阻断地震荷载的传播路径,如:摩擦摆隔震支座 16.17 、铅芯橡胶隔震支座18.19 、双向辊轴摩擦摆隔震支座 2 0 等,利用隔震支座切断水平向地震荷载传至中柱的路径并通过自身滑移、塑性变形等方式耗散部分地震能量;另一类为采用新型功能柱,如:分体柱 2 1-2 4、叠层夹芯柱 2 5-2 7 、截断柱 2 8 等,提高结构中柱自身的变形能力。马乾瑛等 2 2 通过试验分析了分体柱的延性、刚度退化和滞回耗能等抗震性能,研究表明分体柱刚度退化较为缓和,具有良好的抗震性能。毛念华 2 3 通过有限元模拟,分析了将分体柱应用于地铁车站结构的可行性,研究表明分体柱在满足承载能力的前提下,提高
17、了车站结构中柱延性,从而提高了车站结构的抗震性能。许成顺等 2 4 进一步分析了分体柱应用在地下结构的减震效果,发现在最大限度保证中柱竖向承载能力的同时,对中柱的水平变形能力提升效果最好为仅对纵向进行分体的二分柱。吴春玉 2 5 提出叠层夹芯柱这一新型功能柱以提高地下结构的抗震性能。Lu等 2 6 2 7 通过理论计算和有限元模拟分析,研究了叠层夹芯柱应用于地下结构的可行性以及影响叠层夹芯柱抗震性能的因素。其研究表明叠层夹芯柱具有良好的侧向变形能力,其内部弹性填充层可以避免芯柱产生剪切破坏的同时耗散部分地震能量,可以有效提高车站结构的抗震性能。杜修力等 2 8 提出将截断柱应用于地铁车站结构,
18、研究发现采用截断柱的浅埋地下框架结构抗震新体系能够有效提高地铁车站结构的抗震性能,并具有良好的自复位能力。尽管现有研究对采取上述措施的地铁车站在地震作用下的力学行为均有涉及,但对不同柱体形式对车站结构整体抗震性能提升效果并未开展系统评价,缺乏对比研究。本文以天津某地铁车站为背景,基于ABAQUS有限元软件,建立土一结构三维整体非线性数值分Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.393杜修力,等:采用不同新型功能柱的地下车站结构抗震性能对比研究第45 卷第3 期析模型,系统对比研究了不同基岩输人地震动作用时传统
19、方柱、分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等4种中柱形式地铁车站的层间变形、整体损伤和关键构件内力响应等结构地震反应特性,评价3 种新型功能柱抗震性能优劣,以期为含内柱框架式地铁车站结构减震设计提供理论指导。2新型功能柱介绍地铁车站在地震作用下的塌毁坏是由结构中柱与侧墙侧向变形不协调所导致,根本原因在于中柱作为主要的竖向承载构件,其轴压比在静力荷载下远大于侧墙。地震作用下地铁车站结构的上覆土的竖向惯性力显著增加中柱轴力,导致中柱轴压比显著增大,侧向变形能力减弱,中柱丧失竖向承载力后引起顶板陷。研究者针对这一破坏机理提出了分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等新型功能柱,在保证结构中柱竖向承载力不变的前提下,提高中
20、柱侧向变形能力。分体柱、叠层夹芯柱、截断柱等3 种新型功能柱的减震机理具体如下。2.1分体柱主 2 1-2 4分体柱是指将截面较大的方柱用隔板分割成2个或者4个等截面单元柱,如图1(a)所示。将中柱从“短柱”变为“长柱”,增加了柱子的剪跨比,提高了其水平变形能力。已有研究表明,将中柱仅沿水平地震力作用方向进行分体,能够在提高抗震能力的同时较好地保留柱子的整体性及其竖向抗震性能。2.2叠层夹芯柱25-27叠层夹芯柱由外层柱段、摩擦层、弹性填充层和芯柱4部分组成,如图1(b)所示。外层柱段之间可以发生相对滑移,外层柱段与芯柱之间预留变形空间并用弹性材料进行填充为芯柱提供侧移空间。芯柱的截面面积较小
21、,长细比较大,与传统方柱相比,实现了中柱从“短柱”到“长柱”的转变,提高了柱的水平变形能力。2.3截断柱 2 8 截断柱是中柱与车站结构不进行整体现浇,将中柱与结构之间的刚性连接变为由剪力销栓连接,如图1(c)所示。中柱与结构纵梁之间可以发生旋转,使其从“固接柱”变为“摇摆柱”,释放了柱、梁连接处的弯矩,提高地下结构抗震韧性。单元柱隔板(a)分体柱外层柱段摩擦层芯柱弹性填充材料(b)叠层夹芯柱两端截断界面张开(c)截断柱图1新型功能柱变形模式Fig.1The deformation mode of the new functional column3三维动力数值分析模型建立3.1地铁车站结构概
22、况本文以天津某地铁车站结构为工程背景,采用ABAQUS有限元软件,建立土-结构三维动力数值分析模型。车站主体结构的横截面尺寸如图2 所示。车站横截面宽度为2 2.4m,整体高度为8.5 m,车站上覆土层厚度为5 m。车站顶板厚度为0.9 m,底板厚度为0.9 5 m,侧墙宽度为0.8 m,车站中柱纵向跨距为8 m。车站中柱采用传统方柱形式,其横截面尺寸为0.9 m1.5m,配筋率为2.16%。中柱配筋情况如图3(a)所示。为对比分析,本文以中柱截面面积及配筋率不变为前提,分别设计了分体柱、叠层夹芯柱和截断柱3 种新型功能柱,其尺寸及细部构造分别如图3(b)图3(d)所示。3.2有限元模型建立的
23、有限元模型如图4所示。综合考虑模型Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023942023年6 月工程抗震与加固改造8002240010060001OSSt00S80S9990016000S61120011200图2地铁车站横断面(单位:mm)Fig.2Cross section of subway station(unit:mm)计算效率及模型边界影响,土体计算宽度取156.8m(为结构宽度7 倍)。模型高46 m,纵向选取一跨尺寸为8 m。模型顶面为自由地表,底面为刚性基岩,左右侧面采用水平滚轴边界,前后面约束法向运动,
24、底部强制输人基岩地震动。土体网格采用八结点积分单元(C3D8),网格尺寸在0.8 2 m之间,在靠近车站位置予以加密。车站结构采用八结点线性减缩积分单元(C3D8R),其中车站主体结构单元网格最大尺寸为0.4m,并在中柱处予以加密,中柱单元网格最大为0.2 m。钢筋采用等效三维杆单元(T3D2)模拟,单元长度约为1.2 m。各部件之间的接触情况设置如下:车站主体结构与土体之间采用绑定(Tie)连接,即假设在地震作用下车站主体结构和周围土体不产生相对滑移;钢筋采用ABAQUS中的嵌人法(Embedregion)内嵌到混凝土内部,不考虑钢筋与结构之间的粘结滑移;对于采用传统方柱、分体柱、叠层夹芯柱
25、的3 种情况,中柱顶、底端与车站主体结构纵梁之间采用绑定(Tie)连接,假定柱端与纵梁之间不会发生相对滑移与分离。分体柱各单元柱之间法向设置“硬”接触,切向设置“罚”接触,取混凝土相互摩擦的常用摩擦系数0.4;对于叠层夹芯柱,弹性材料与芯柱和外层柱段之间采用绑定(Tie)连接,柱段之间法向设置“硬”接触,切向设置“罚”接触,摩擦系数为0.0 0 1 2 6 ;截断柱顶、底端与车站主体结构纵梁之间法向设置“硬”接触,切向设置为“粗糙”,保证截断柱与纵梁在接触后不发生滑移行为。00610061150015004803248032OSSt006OSSt1一$12100/20012100/2001-1
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