地下厂房洞室围岩与混凝土衬砌结构地震动响应作用机理研究

According to in situ investigation after "5.12" Wenchuan earthquake, it is concluded that concrete lining is quite important for anti-earthquake design of underground powerhouse of hydropower station. Since no guidance for seismic design of underground powerhouse in current specifications, it is of significance to study seismic response of lining of underground powerhouse. Based on shaking table test and in situ investigation, interaction mechanism and dynamic model of surrounding rock and lining of underground cavern under earthquake are to be proposed; based on dynamic loading experiment of concrete, establish nonlinear dynamic rate constitutive model of concrete; embed proposed models into self-developed three-dimensional dynamic simulation system using elasto-plastic damage model and explicit finite element method to study earthquake disaster process; analyze seismic response of concrete lining with seismic wave evolution that to be obtained by shaking table test; on this basis, compare different seismic design methods of concrete lining by numerical simulation and propose significant concept and suggestion for seismic design of underground powerhouse. Along with frequent building of large scale underground powerhouse of hydropower station in earthquake-prone south-western China, the research not only has important theoretical significance, but also has broad application prospects for engineering design.

"汶川"地震灾害调查表明，地下厂房衬砌结构是地下厂房洞室抗震设计的关键。我国水工抗震规范尚未对地下厂房结构的抗震设计提供指导性方法，因此研究衬砌结构的地震动力响应意义重大。本项目以振动台试验和汶川地震震灾调查为基础，研究地震动荷载作用下洞室围岩与衬砌结构的相互作用机理，建立围岩与衬砌动力响应数值模型；同时以室内混凝土动力加载试验为手段，在混凝土静力本构模型的基础上建立动力非线性率本构模型；将两数值模型嵌入自主开发的"地震灾变过程中地下洞室三维弹塑性损伤显式有限元计算程序"，并结合振动台试验揭示地震波附加应力场的演化规律，分析衬砌结构的受力特性。在此基础上，对比不同抗震设计方法在地下厂房衬砌抗震计算中的合理性，并对抗震设计理论提出建议。随着我国西南地区水电站地下厂房的大规模兴建，该项研究工作不仅具有重要的理论意义，而且在工程设计中具有广阔的应用前景。

我国西南高地震烈度地区兴建的一批大型水电站地下厂房洞室群受到地震灾害的严重威胁。通过“汶川”地震震害调查显示，衬砌结构的开裂是地下厂房的主要破坏形式，可见，地下厂房衬砌结构是地下厂房洞室抗震设计的关键。但我国水工抗震规范尚未对地下厂房结构的抗震设计提供指导性方法。因此，围绕地震作用下洞室围岩与衬砌结构的相互作用特性及地震波附加应力场演化机理等关键问题，开展了围岩与衬砌的动响应作用机理及力学模型、混凝土动态特性及动本构关系、地震波附加应力场演化和抗震措施的加固机理等内容的研究。经过四年的努力，取得的主要成果如下： .（1）基于混凝土动力加载试验资料，总结出混凝土材料应变率相关特性、塑性变形特性及疲劳损伤特性。针对混凝土动力特性，提出了该类材料动力物理力学参数估算公式，建立了基于Zienkiewicz-Pande屈服准则，并考虑非关联流动、损伤以及动力物理力学参数影响的混凝土类材料三维损伤弹塑性本构关系。.（2）针对地下厂房围岩与结构接触面动力计算问题，以动接触力法基本方程为基础，提出了一种考虑接触面粘结滑移特性的动接触力算法，该算法考虑了接触面间的粘结作用，可模拟动力作用下接触面的粘结接触、滑动接触和分离三种状态，算法收敛性、稳定性较易满足，不需迭代，计算效率高，能够较好模拟衬砌与围岩的动接触问题。.（3）基于课题组自主开发的动力计算程序，构建了地下厂房衬砌抗震计算的数值分析平台，并应用于映秀湾地下厂房结构地震响应分析，数值计算成果显示的地下厂房混凝土结构震损区域与震后调查得到的混凝土开裂区域基本吻合，验证了该平台的可行性可准确性。.（4）对比分析了拟静力法、反应谱法、动力时程法这三种地下厂房结构常用的抗震计算方法，建议对安全级别高、规模大或处于高地震烈度地区的地下厂房结构采用动力时程法进行计算，便于指导其抗震的经济设计。.（5）基于地下厂房结构的震损特性，针对性提出了厂房上部结构采用“联合加固”、厂房下部结构采用“柔性减震”的减震理念。. 在本项目资助下，共发表学术论文31篇（含6篇录用），其中SCI和EI收录23篇；培养博士研究生11名，培养与联合培养硕士研究生15名；获批软件著作权7项等。取得的相关研究成果完善了地下洞室抗震计算基本理论，同时为西南地区正在兴建的众多水电站地下厂房衬砌抗震设计提供了技术指导。