基于剪切耗能控制的大跨度地下空間結(jié)構(gòu)減震機(jī)理研究

本項(xiàng)目的最大創(chuàng)新之處在于將減震耗能控制概念引入大跨度地下空間結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)中。首先，從構(gòu)件層次，開展了剪切板阻尼器減震裝置的低周反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)，揭示了高軸壓比條件下剪切板阻尼器的力學(xué)性能和耗能機(jī)制，提出了考慮軸壓比影響的恢復(fù)力模型；其次，建立了適用于地下結(jié)構(gòu)的高軸壓比剪切板阻尼器的有限元建模方法，并采用上述模型進(jìn)行了減震控制地下結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)時(shí)程分析，研究成果有助于初步驗(yàn)證剪切板阻尼器的減震效果并揭示其在大跨度地下結(jié)構(gòu)中的消能減震機(jī)理；最后，開展了阻尼器優(yōu)化布置和震害控制方法研究，以阻尼器—結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比作為減震設(shè)計(jì)性能參數(shù)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和最優(yōu)設(shè)計(jì)性能參數(shù)范圍。本項(xiàng)研究是大跨度地下結(jié)構(gòu)減震控制理論與關(guān)鍵技術(shù)的初步探索，具有重要的科學(xué)理論價(jià)值和創(chuàng)新性。

隨著我國(guó)地下空間結(jié)構(gòu)在數(shù)量、規(guī)模和空間尺度上的急速增長(zhǎng)，迫切需要發(fā)展新思路和新方法以提升大跨度地下空間結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害的能力。本項(xiàng)目針對(duì)大跨度地下空間結(jié)構(gòu)，著重研究采用剪切型耗能控制策略，以實(shí)現(xiàn)減輕大跨度地下空間結(jié)構(gòu)震害的機(jī)理。本項(xiàng)目首先從地下結(jié)構(gòu)高軸壓比條件下的剪切板阻尼器低周反復(fù)加載試驗(yàn)出發(fā)，探索高軸壓比下剪切板阻尼器的耗能機(jī)制，建立適合地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特點(diǎn)、考慮高軸壓比影響的剪切板阻尼器恢復(fù)力模型；將上述模型應(yīng)用于大跨度地下空間結(jié)構(gòu)的非線性地震響應(yīng)時(shí)程分析，通過系統(tǒng)的精細(xì)化數(shù)值模擬，基于能量概念，揭示強(qiáng)震作用下大跨度地下結(jié)構(gòu)的消能減震機(jī)理，提出可用于地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的震害控制理論和方法。研究成果有望促進(jìn)大跨度地下結(jié)構(gòu)消能減震機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，推動(dòng)先進(jìn)抗震設(shè)計(jì)理念和減震控制技術(shù)在地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

在研項(xiàng)目按項(xiàng)目計(jì)劃書要求完成全部預(yù)定研究?jī)?nèi)容。已取得的主要學(xué)術(shù)成績(jī)：1）高軸壓比條件下剪切板阻尼器的耗能機(jī)制；2）基于剪切耗能控制的大跨度地下結(jié)構(gòu)減震機(jī)理。研究成果發(fā)展和完善了大跨度地下結(jié)構(gòu)減震控制理論和精細(xì)化數(shù)值分析方法，推動(dòng)了基于剪切耗能控制的先進(jìn)抗震設(shè)計(jì)理念和減震控制技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用。已發(fā)表第一作者SCI論文2篇，SCI源刊（待收錄）3篇，EI論文3篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)。有關(guān)成果在2部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方規(guī)范中得到應(yīng)用，獲得上海市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。.針對(duì)當(dāng)前我國(guó)軟土地下大空間結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害能力亟待提升的迫切需求，擬申請(qǐng)項(xiàng)目將研究：1）軟土地下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)；2）考慮跨尺度效應(yīng)的三維精細(xì)化混合建模方法及驗(yàn)證；3）地下大空間結(jié)構(gòu)減震控制機(jī)理。旨在揭示強(qiáng)震下軟土地下大空間結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理以及基于能量轉(zhuǎn)移和耗散的減震控制機(jī)理，為進(jìn)一步提高我國(guó)地下工程的抗震防災(zāi)水平提供科學(xué)支撐。

本項(xiàng)目以軟弱覆蓋土層中的地下大空間結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，綜合采用先進(jìn)動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)和三維精細(xì)化數(shù)值仿真技術(shù)，揭示軟土地下大空間結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下的非線性動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律及其災(zāi)變機(jī)理，研究地震能量在地下結(jié)構(gòu)中的傳遞機(jī)制和耗散效應(yīng)，揭示基于能量分析的減震控制原理，為進(jìn)一步提高我國(guó)地下工程的抗震防災(zāi)水平提供科學(xué)支撐。 本項(xiàng)目按項(xiàng)目計(jì)劃書要求完成全部預(yù)定研究?jī)?nèi)容。已取得的主要研究成果包括：1）采用高精度的動(dòng)態(tài)離心模型試驗(yàn)技術(shù)，重點(diǎn)研發(fā)了可保證重復(fù)制備砂土試樣的設(shè)備和方法以及可獲得地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征的測(cè)試元件橋路設(shè)計(jì)，真實(shí)模擬軟弱土層的應(yīng)力場(chǎng)，精確再現(xiàn)“軟土－減震裝置－地下結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)原型在實(shí)際應(yīng)力條件下的真實(shí)動(dòng)力響應(yīng)；2）試驗(yàn)驗(yàn)證了地下結(jié)構(gòu)受周圍巖土介質(zhì)變形或相對(duì)位移影響顯著的動(dòng)力響應(yīng)特征，揭示了減震層通過吸收地下結(jié)構(gòu)周圍巖土介質(zhì)的相對(duì)位移，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，最終減輕甚至避免了結(jié)構(gòu)震害的作用原理；3）建立并驗(yàn)證了考慮跨尺度效應(yīng)的混合建模方法，開展了三維精細(xì)化地震響應(yīng)參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)了大開車站倒塌破壞模式的數(shù)值再現(xiàn)，研究結(jié)果表明：強(qiáng)豎向地震動(dòng)增大了中柱軸壓、從而降低了中柱的抗側(cè)移能力，而高軸壓、弱抗剪承載能力以及構(gòu)造措施不足是導(dǎo)致中柱破壞、車站坍塌的主要因素；4）在此基礎(chǔ)上，對(duì)軟土中典型雙層地鐵車站進(jìn)行了減震裝置的空間優(yōu)化布置設(shè)計(jì)，歸納了地震能量輸入、轉(zhuǎn)移、分布、耗散與吸收的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)減震耗能裝置在地下結(jié)構(gòu)中的有效設(shè)計(jì)和優(yōu)化布置，揭示了基于“替換”和能量概念的地下大空間結(jié)構(gòu)的減震控制原理。 本項(xiàng)目是已結(jié)題青年基金項(xiàng)目的深化與拓展，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高精度試驗(yàn)?zāi)M和精細(xì)化數(shù)值建模的突破，為正確反映地下工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的性態(tài)、深入認(rèn)識(shí)和理解地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理和減震控制原理提供更真實(shí)、可靠、精確的科學(xué)數(shù)據(jù)和新的研究途徑。研究成果已發(fā)表SCI收錄學(xué)術(shù)論文8篇（均為第一作者或通訊作者）、EI論文3篇；參編著作2部；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)；獲教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)（排名第2 ）和上海市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1 項(xiàng)（排名第4）。 2100433B