地震动空间相关性与地下综合体结构的破坏机理研究

In present China, seismic analysis method for underground structures has not well developed and specific seismic design code for underground complex has not yet established. This project, starting with the investigation on the induced mechanism of earthquakes on large underground structures, will attempt to reveal the failure mechanism of underground complex in strong earthquakes. Both experimental investigation (shaking table model test) and numerical simulation will be conducted. Specifically, the project will be carried out from the following aspects. The strong seismic data from both domestic and foreign seismograph networks will be collected and, in particular, the pairs data of strong motions on ground surface and in borehole as well as the shear wave velocity data that derived from the corresponding drilling boreholes in Japanese KiK-net network will be mainly adopted. The regular pattern of correlation between ground motion's coherence function and site depth will be found out and the practical model of ground motion's spatial coherence function will be established. Besides, a synthetic multipoint ground motion's simulation method which takes both time and frequency nonstationarity into consideration will be improved, basing on the evolution spectrum theory and orthogonal HHT method. Beyond that, taking an underground complex project as example, the shaking table test and numerical simulation of underground complex will be conducted and compared. On this basis, two typical underground complexes in Beijing and Shanghai will be respectively three-dimensional simulated. The seismic failure mechanism of those two typical underground complexes during strong earthquakes will be discussed. The anticipated achievements of this project will remedy the deficiency of current codes, provide the urgently needed reference for the seismic design of underground structures, and promote the development of seismic design theory for complex underground structures.

针对我国尚缺少完善的地下结构抗震分析方法和专门的地下综合体结构抗震设计规范的现状。本项目拟从大型地下结构地震反应分析的地震动输入机制入手，采用振动台模型试验与数值模拟相结合的方法，开展强震作用下地下综合体结构的破坏机理研究。具体为：利用国内外台网的强震记录，重点利用日本KiK-net地表-孔底台网的强震记录和场地资料，探索地震动相干函数随场地深度的变化规律，建立地震动空间相干函数实用模型；结合演变谱理论和正交化HHT法，建立适用于场地不同深度处的、能考虑时-频非平稳性的多点地震动人工合成方法；以某地下综合体为例，开展地下综合体结构的振动台模型试验，并进行数值模拟与拟合研究；选取北京和上海的两个典型地下综合体，分别建立三维数值计算模型，探究强震作用下地下综合体结构的破坏机理。本项目预期成果将可以弥补规范的不足，为类似地下结构的抗震设计提供急需的参考依据，促进复杂地下结构抗震设计理论的发展。

针对我国尚缺少完善的地下结构抗震分析方法和专门的地下综合体结构抗震设计规范的现状。本项目从大型地下结构地震反应分析的地震动输入机制入手，采用振动台模型试验与数值模拟相结合的方法，进行了强震作用下典型地下综合体结构破坏机理研究。具体为：以日本KiK-net台网所筛选并经过预处理的地震动记录为基础，对不同类型场地条件下地震动随深度变化的相干特性进行了研究；通过对相干函数计算值的拟合，建立了一种适用于不同类型场地的地震动随场地深度变化的相干函数模型。利用典型强震地震动记录，进行了地震动时域和频域的非平稳性研究；基于演变谱理论和正交化HHT法，建立了一种能同时反映地震动时域和频域非平稳性的人工模拟方法。基于粒子群优化算法对Davidenkov模型参数进行拟合，开发了基于Davidenkov模型的土体非线性动力本构模型计算子程序。设计用于土-地下空间结构及上部结构体系振动台试验的模型结构和模型土体，实施了不同类型地震波作用下土-地下空间结构及上部结构体系的系列振动台模型试验，并基于振动台试验进行了数值模拟与拟合研究。基于子结构方法，构建了一套适用于土-地下空间结构体系地震反应的高效计算系统。选取典型地下综合体结构，分别建立三维数值计算模型，研究了强震作用下地下综合体结构的破坏机理。在此基础上，通过将负刚度放大系统与隔震支座相结合，提出了一种适用于地下空间结构减隔震的新型减隔震系统（NSAS），并进行了有效性验证。本项目成果可以弥补规范的不足，为类似地下结构的抗震设计和分析提供急需的参考依据。