地下結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變與抗震設(shè)計(jì)方法集成研究

本項(xiàng)目在重大研究計(jì)劃“重大工程動(dòng)力災(zāi)變”地下結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等手段，開展集成研究工作，進(jìn)一步揭示地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理，提出地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，取得的主要研究成果包括：1) 基于近場波動(dòng)有限元方法，實(shí)現(xiàn)了人工邊界條件、地震動(dòng)的波動(dòng)輸入、材料本構(gòu)模型等，搭建了地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)數(shù)值模擬平臺(tái)，并驗(yàn)證了平臺(tái)的有效性和精度；2) 從圍巖土體對(duì)淺埋地下結(jié)構(gòu)的兩種地震作用效應(yīng)、組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同的受力功能，以及關(guān)鍵構(gòu)件的力學(xué)性能與體系受力分配改變導(dǎo)致的側(cè)墻、中柱變形能力不協(xié)調(diào)等方面，系統(tǒng)闡述了大開地鐵車站的地震破壞機(jī)理和失效模式，并提出了抗震關(guān)鍵支撐柱概念；3) 開展了大開車站結(jié)構(gòu)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，進(jìn)一步印證了車站結(jié)構(gòu)上覆土體對(duì)其塌毀破壞的關(guān)鍵作用；4) 針對(duì)地震系數(shù)法、自由場變形法、柔度系數(shù)法、反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法和地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法的計(jì)算模型、關(guān)鍵參數(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)以及存在的問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的評(píng)述，采用這些方法計(jì)算了日本阪神地震中損毀的大開地鐵車站地震反應(yīng)，并與嚴(yán)格的動(dòng)力時(shí)程分析方法結(jié)果進(jìn)行了比較，分析了各種方法的計(jì)算精度；5) 針對(duì)淺埋地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析問題，提出了一種考慮上覆土體豎向慣性力影響的反應(yīng)位移法，簡稱慣性力-位移法，給出了慣性力-位移法分析模型的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)確定方法，包括地基彈簧剛度及上覆土體最大豎向慣性力，工程實(shí)例分析結(jié)果表明，本文建議的慣性力-位移法與傳統(tǒng)的反應(yīng)位移法相比，不僅克服了傳統(tǒng)的反應(yīng)位移法不能給出中柱軸力的缺陷外，其它反應(yīng)量的計(jì)算精度與之基本相當(dāng)。發(fā)表或錄用論文4篇；授權(quán)國際發(fā)明專利1項(xiàng)、國家發(fā)明專利一項(xiàng)；獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(1，2016)；培養(yǎng)青年長江學(xué)者1名，博士生5人、碩士生3人，其中2人已獲碩士學(xué)位。研究成果將為我國地下工程的安全建設(shè)和運(yùn)營提供科學(xué)支撐。 2100433B

在重大研究計(jì)劃“重大工程動(dòng)力災(zāi)變”地下結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的梳理與集成研究，形成試驗(yàn)成果、理論方法成果、模擬軟件成果集成平臺(tái)，進(jìn)一步揭示地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理，給出結(jié)構(gòu)上覆土體剪切破壞后在豎向地震作用時(shí)的等效慣性效應(yīng)，以及側(cè)向土體水平相對(duì)變形作用于側(cè)墻的剪切荷載效應(yīng)；總結(jié)地震破壞失效模式，對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的控制性構(gòu)件給出極限變形能力標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而建立地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)簡化分析方法。研究成果將為我國地下工程的安全建設(shè)和運(yùn)營提供科學(xué)支撐。

本項(xiàng)目通過三年的研究工作，已完成項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項(xiàng)目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風(fēng)險(xiǎn)層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過斷層活動(dòng)與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評(píng)價(jià)體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動(dòng)斷層隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，提出了分級(jí)量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對(duì)斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對(duì)策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計(jì)參數(shù)。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)(EI收錄)、土木工程學(xué)報(bào)(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學(xué)術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

隨著城市地鐵、地下商業(yè)街等地下空間大規(guī)模的開發(fā)和利用，以及近期國際上的幾次地下結(jié)構(gòu)地震破壞現(xiàn)象的警示，目前地下結(jié)構(gòu)抗震問題受到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛重視。由于歷史上地下結(jié)構(gòu)震害并不多見，地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理分析和抗震設(shè)計(jì)方法在國際范圍內(nèi)也缺乏系統(tǒng)深入的研究，資料積累不足。就我國而言，迄今為止，還沒有獨(dú)立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。本項(xiàng)目擬通過理論分析、數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的手段，對(duì)城市大型地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力災(zāi)變研究涉及到的，(1)材料、構(gòu)件的多維損傷動(dòng)力本構(gòu)模型與破壞準(zhǔn)則；(2)地下結(jié)構(gòu)與其賦存巖土介質(zhì)的非線性動(dòng)力耦合效應(yīng)，以及巖土－地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的漸進(jìn)破壞、失效過程模擬模型；(3)巖土－地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)強(qiáng)震災(zāi)變模擬方法；(4)巖土－地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震破壞機(jī)理與規(guī)律四個(gè)層面的問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，為建立地下結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)設(shè)計(jì)理論與分析方法奠定基礎(chǔ)，為保障地下工程的安全建設(shè)和運(yùn)營提供科學(xué)支撐。 2100433B

一般認(rèn)為洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)不少隧道洞身段也發(fā)生開裂破壞，甚至倒塌。究其原因，主要是這些隧道穿越地層條件多為斷層破碎帶。項(xiàng)目以西部高烈度地震區(qū)和活動(dòng)斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對(duì)象，從隧道動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)及地質(zhì)學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合汶川地震跨斷層隧道震害調(diào)查資料，采用地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究地震與活動(dòng)斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)理與控制對(duì)策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評(píng)價(jià)方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動(dòng)斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動(dòng)性與抗震性耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時(shí)的大變形吸能能力的合理均衡。項(xiàng)目預(yù)期將建立隧道安全性評(píng)價(jià)理論、方法以及災(zāi)害控制對(duì)策。項(xiàng)目的研究對(duì)于深入揭示活動(dòng)斷層區(qū)隧道地震破壞機(jī)理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。