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

本項目的最大創(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)加載實驗，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，并采用上述模型進行了減震控制地下結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)時程分析，研究成果有助于初步驗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)強度比作為減震設(shè)計性能參數(shù)，提出了優(yōu)化設(shè)計方法和最優(yōu)設(shè)計性能參數(shù)范圍。本項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)理論價值和創(chuàng)新性。

隨著我國地下空間結(jié)構(gòu)在數(shù)量、規(guī)模和空間尺度上的急速增長，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。本項目針對大跨度地下空間結(jié)構(gòu)，著重研究采用剪切型耗能控制策略，以實現(xiàn)減輕大跨度地下空間結(jié)構(gòu)震害的機理。本項目首先從地下結(jié)構(gòu)高軸壓比條件下的剪切板阻尼器低周反復(fù)加載試驗出發(fā)，探索高軸壓比下剪切板阻尼器的耗能機制，建立適合地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特點、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)時程分析，通過系統(tǒng)的精細化數(shù)值模擬，基于能量概念，揭示強震作用下大跨度地下結(jié)構(gòu)的消能減震機理，提出可用于地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的震害控制理論和方法。研究成果有望促進大跨度地下結(jié)構(gòu)消能減震機理的深入認識，推動先進抗震設(shè)計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用價值。

在研項目按項目計劃書要求完成全部預(yù)定研究內(nèi)容。已取得的主要學(xué)術(shù)成績：1）高軸壓比條件下剪切板阻尼器的耗能機制；2）基于剪切耗能控制的大跨度地下結(jié)構(gòu)減震機理。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化數(shù)值分析方法，推動了基于剪切耗能控制的先進抗震設(shè)計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，申請國家發(fā)明專利3項。有關(guān)成果在2部國家標(biāo)準(zhǔn)和地方規(guī)范中得到應(yīng)用，獲得上海市科技進步三等獎1項。.針對當(dāng)前我國軟土地下大空間結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害能力亟待提升的迫切需求，擬申請項目將研究：1）軟土地下結(jié)構(gòu)動態(tài)離心模型試驗；2）考慮跨尺度效應(yīng)的三維精細化混合建模方法及驗證；3）地下大空間結(jié)構(gòu)減震控制機理。旨在揭示強震下軟土地下大空間結(jié)構(gòu)地震破壞機理以及基于能量轉(zhuǎn)移和耗散的減震控制機理，為進一步提高我國地下工程的抗震防災(zāi)水平提供科學(xué)支撐。

本項目以軟弱覆蓋土層中的地下大空間結(jié)構(gòu)為研究對象，綜合采用先進動態(tài)離心模型試驗和三維精細化數(shù)值仿真技術(shù)，揭示軟土地下大空間結(jié)構(gòu)在強地震作用下的非線性動力響應(yīng)規(guī)律及其災(zāi)變機理，研究地震能量在地下結(jié)構(gòu)中的傳遞機制和耗散效應(yīng)，揭示基于能量分析的減震控制原理，為進一步提高我國地下工程的抗震防災(zāi)水平提供科學(xué)支撐。 本項目按項目計劃書要求完成全部預(yù)定研究內(nèi)容。已取得的主要研究成果包括：1）采用高精度的動態(tài)離心模型試驗技術(shù)，重點研發(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)動力響應(yīng)特征的測試元件橋路設(shè)計，真實模擬軟弱土層的應(yīng)力場，精確再現(xiàn)“軟土－減震裝置－地下結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)原型在實際應(yīng)力條件下的真實動力響應(yīng)；2）試驗驗證了地下結(jié)構(gòu)受周圍巖土介質(zhì)變形或相對位移影響顯著的動力響應(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)的相對位移，進而降低結(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）建立并驗證了考慮跨尺度效應(yīng)的混合建模方法，開展了三維精細化地震響應(yīng)參數(shù)分析，實現(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：強豎向地震動增大了中柱軸壓、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，對軟土中典型雙層地鐵車站進行了減震裝置的空間優(yōu)化布置設(shè)計，歸納了地震能量輸入、轉(zhuǎn)移、分布、耗散與吸收的規(guī)律，實現(xiàn)減震耗能裝置在地下結(jié)構(gòu)中的有效設(shè)計和優(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。 本項目是已結(jié)題青年基金項目的深化與拓展，重點實現(xiàn)高精度試驗?zāi)M和精細化數(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)、深入認識和理解地下結(jié)構(gòu)地震破壞機理和減震控制原理提供更真實、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)國家發(fā)明專利3項；獲教育部自然科學(xué)二等獎1 項（排名第2 ）和上海市科技進步三等獎1 項（排名第4）。 2100433B