强地震及余震下高速铁路客站系统失效机理与风险评估研究

我国高速铁路正处于跨越式发展期，一种新型结构"房桥合一"混合结构体系应运而生，并在高速铁路客站中广泛采用。鉴于此类结构的抗震设计理念和设计规范严重滞后于工程建设，在强地震甚至余震下客站系统失效会导致巨大经济损失，开展高速铁路客站系统失效机理和地震风险研究具有重要意义且势在必行。本项目拟采用理论研究、数值仿真和试验等手段开展以下工作：进行强地震及余震所组成地震序列的数值模拟研究；引入停靠列车、幕墙及机电设备等非结构单元，建立高速铁路客站系统有限元精细模型和功能失效故障树，考虑疲劳损伤，研究强地震及余震下客站系统功能失效模式，阐明失效机理；开展振动台试验，研究高速铁路客站系统抗震性能；建立强地震及余震下结构单元和非结构单元易损性曲线，结合故障树确定客站系统地震易损性，建立客站系统地震损失的风险评估模型，提出有效降低客站系统地震风险的改造方案。本项目研究成果可为高速铁路客站建设提供重要技术支撑。

项目通过3年的执行期，在强地震及其余震的模拟、多点地震动的输入和计算理论及算法、高铁客站强地震破坏的数值仿真和振动台试验、高铁客站的地震失效风险分析等方面开展了较为系统的研究工作，取得的研究成果部分已发表于期刊和重要会议，为下一步的减震隔震和设计研究奠定了良好的基础。项目主要研究工作及成果具体包括：（1）强地震及其余震相关性的仿真模拟：收集了我国西部地区近几年的典型大地震的加速度历史记录，如汶川地震、玉树地震、雅安地震等，基于统一的大森公式，建立了针对我国西部地区的主震后强余震的发生频次、强度的相关表达式，拟合了适用于我国西部地区的重要相关参数，并实现了基于主震的强余震反应谱的模拟，给出了余震设计用反应谱，可供抗震设计参考之用。（2）多点地震动的输入和计算理论及算法：针对大跨度结构通常承受多点地震动激励，由于多点地震动的实际记录的缺乏，编制了能够考虑行波和场地特征的多点地震动的生成程序，并针对多点地震计算模型的误差问题，提出了误差根源和修正方法，进一步实现了多点地震的随机计算在软件中的应用，分析了高铁客站的大跨屋盖结构的地震随机响应特征。（3）高铁客站的震致碰撞研究、非比例阻尼特征及减隔震等理论研究：针对对比于具有“房桥合一”特征的“房桥分离”型高铁客站，建立了能够分析桥梁结构与房屋碰撞安全间距的理论公式，并考虑非比例阻尼特征，给出了大型结构的地震随机响应的计算方法，把减震隔震装置应用于高铁客站，从理论上分析了混合减震方案的可行性，为数值和试验验证奠定了基础。（4）高铁客站的震致破坏的数值仿真与振动台试验：以典型的高铁客站-天津西站为依托，建立了全站的数值仿真模拟，研究了不同强度地震下结构的响应和破坏特征，结合数值仿真开展了缩尺结构的高铁客站振动台试验工作，振动台试验包括大跨度钢桁架楼盖和全站模型，通过数值和试验相结合的分析，明确了强地震下高铁客站的抗震性能，指出了基于现有设计规范的结构抗震设计的薄弱环节和结构失效特征。（5）高铁客站的地震风险评估分析：在高铁客站失效机理研究基础上，结合地震危险性，分析了高铁客站的失效风险，明确了高铁客站中失效风险较大的结构部件，为后续基于性能抗震设计提供了重要参考。