预制装配式地铁车站结构地震灾变及抗震设计方法研究

Prefabricated assembly technics, with members precast in factories is becoming development trend of the underground subway station construction due to its outstanding advantages in shorter project duration, better economy, safety and efficiency. As a special structure system, the surface prefabricated assembly structure is diverse in aseismic performance, so its aseismic performance evaluation is urgent to be solved. Only recently the prefabricated assembly structure began to be used in underground engineering, and the research on the aseismic performance of this type of structure is almost blank at present. Therefore, the study on the aseismic theory and the design method of the prefabricated assembly underground structure is of great significance to the theoretical research and practical applications. Aiming at the aseismic performance and the aseismic design method, the study is planned focusing on the three following problems: (1) the dynamic earthquake reaction and response of the prefabricated assembly subway station structure;（2）the dynamic failure mechanism of the prefabricated assembly subway station structure under intensive earthquakes; and (3) the aseismic performance evaluation and the aseismic design approaches of the prefabricated subway station structure. By using of theoretical analysis and 3D nonlinear dynamic numerical modeling combining large shaking table tests and physical pushover tests, 3D dynamic response and failure mechanism of the prefabricated station structure under the action of earthquake is studied and the failure mechanism is analyzed. The results and conclusions may lay theoretical foundation on establishing the seismic analysis and design method of the prefabricated subway station structure.

地下结构预制装配式建造工艺可大幅度缩短工期，经济、安全、高效，构件预制化和工厂化将成为地下工程结构发展趋势。作为独特的结构体系，预制装配式地面建筑的地震表现差异很大，抗震性能评价问题亟待解决。高烈度地区装配式地铁车站的地震灾变及抗震性能成为业界关注的重要科学问题。由于在地下工程中的应用刚刚起步，该类型地下结构的抗震性能研究处于空白状态，对其抗震理论和设计方法进行系统深入的研究具有重要的理论意义。本项目以预制装配式地铁车站结构的抗震性能及设计方法为研究对象，围绕 (1) 装配式车站结构地震动力响应、(2)强震作用下装配式车站动力灾变、(3) 装配式车站结构抗震性能评价方法和设计方法三个层面的关键科学问题，采用理论分析、三维非线性动力数值模拟、振动台模型试验与推覆试验相结合的方法，研究装配式地铁车站结构抗震性能，揭示其强震下的灾变机理，为建立装配式地铁车站结构的抗震分析及设计方法奠定理论基础。

本文以长春地铁2号线的国内首座全预制装配式地铁车站的研究和建设为工程背景，进行了国内首例全预制装配式地铁车站结构振动台试验，开发了FBG(光纤光栅)薄片式应变测量系统；进行了结构构件榫槽接头力学性能试验；使用ABAQUS进行了进行车站结构三维动力数值分析和Pushover分析，系统研究了其地震动力响应、抗震性能与抗震分析方法，得到如下主要成果：.（1）随地震强度增大，装配式车站混凝土结构最大Mises应力和车站钢筋结构最大主应力均逐步增大，双向震工况均大于单向震工况，最大层间位移角远小于规范限值。在罕遇地震作用下，仅出现小范围的拉应力区，整体仍处于弹性状态。与预制装配式地铁车站结构比较，现浇单拱大跨地铁车站结构的侧墙加速度和动土压力差异小。.（2）预制装配式地铁车站地震破坏机理为：在罕遇地震作用下，拱顶外侧变截面处、中板-中柱节点和中柱-底梁-底板节点等区域首先出现塑性损伤；随着地震荷载持续作用，结构损伤区域继续扩展，上部各接头预应力钢筋承担大部分荷载，由单拱大跨结构将逐步退化为三铰拱的静定机构，能保持相对稳定，不易出现整体垮塌等严重破坏情况。现浇单拱大跨地铁车站结构则在地震作用下进入塑性工作状态，板、柱发生失稳破坏，逐步退化为不稳定机构。.（3）对预制装配式地铁车站结构进行了Pushover分析，其应力、位移、结构损伤等计算结果与三维有限元地震时程分析的规律一致，该方法能够较好地预制装配式地铁车站的地震反应。与三维动力时程分析方法相比，Pushover法力学概念明确、操作简洁，可作为地铁车站结构的抗震分析方法。.（4）基于能量分析表明，预制装配式地铁车站结构抗震性能指标符合现行规范要求。装配式结构通过接头转动变形释放结构应变能，减轻结构内部损伤，达到耗能减震；现浇结构将能量大部分转变为自身应变能，加重结构的损伤。因此，装配式结构吸收地震能量性能优于现浇结构，极限损伤状态下稳定性优于现浇结构，且其接头具备优良的连接性能，使其具备优良抗变形性能。