地下结构地震灾变与抗震设计方法集成研究

Based on the scientific work of the major research plan “the major engineering dynamic response” in the field of anti-seismic of underground structure, the experimental results and the work of theoretical methods and simulation software will be formed integration platform by further research, the seismic failure mechanism of underground structures will be further revealed, and the equivalent inertial effects of overlying soil after shear failure and the shear loading effects of horizontal deformation of lateral soil will be provided. The seismic failure mechanism will be concluded, the standard of the ultimate deformation ability of control component in anti-seismic design of underground structures will be proposed and the simplified anti-seismic analysis methods of underground structures will be further established. The research work will provide scientific supports for safe constructions and operations of underground engineering.

在重大研究计划“重大工程动力灾变”地下结构抗震领域研究成果的基础上，通过进一步的梳理与集成研究，形成试验成果、理论方法成果、模拟软件成果集成平台，进一步揭示地下结构地震破坏机理，给出结构上覆土体剪切破坏后在竖向地震作用时的等效惯性效应，以及侧向土体水平相对变形作用于侧墙的剪切荷载效应；总结地震破坏失效模式，对地下结构抗震稳定性的控制性构件给出极限变形能力标准，进而建立地下结构抗震设计简化分析方法。研究成果将为我国地下工程的安全建设和运营提供科学支撑。

本项目在重大研究计划“重大工程动力灾变”地下结构抗震领域研究成果的基础上，采用理论分析、数值模拟和模型试验等手段，开展集成研究工作，进一步揭示地下结构地震破坏机理，提出地下结构抗震设计方法，取得的主要研究成果包括：1) 基于近场波动有限元方法，实现了人工边界条件、地震动的波动输入、材料本构模型等，搭建了地下结构地震反应数值模拟平台，并验证了平台的有效性和精度；2) 从围岩土体对浅埋地下结构的两种地震作用效应、组成结构构件不同的受力功能，以及关键构件的力学性能与体系受力分配改变导致的侧墙、中柱变形能力不协调等方面，系统阐述了大开地铁车站的地震破坏机理和失效模式，并提出了抗震关键支撑柱概念；3) 开展了大开车站结构离心机振动台试验，将试验结果与数值模拟结果对比分析，进一步印证了车站结构上覆土体对其塌毁破坏的关键作用；4) 针对地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和地下结构Pushover分析方法的计算模型、关键参数、优缺点以及存在的问题进行了较为系统的评述，采用这些方法计算了日本阪神地震中损毁的大开地铁车站地震反应，并与严格的动力时程分析方法结果进行了比较，分析了各种方法的计算精度；5) 针对浅埋地下结构地震反应分析问题，提出了一种考虑上覆土体竖向惯性力影响的反应位移法，简称惯性力-位移法，给出了惯性力-位移法分析模型的两个关键参数确定方法，包括地基弹簧刚度及上覆土体最大竖向惯性力，工程实例分析结果表明，本文建议的惯性力-位移法与传统的反应位移法相比，不仅克服了传统的反应位移法不能给出中柱轴力的缺陷外，其它反应量的计算精度与之基本相当。发表或录用论文4篇；授权国际发明专利1项、国家发明专利一项；获教育部科技进步一等奖1项(1，2016)；培养青年长江学者1名，博士生5人、硕士生3人，其中2人已获硕士学位。研究成果将为我国地下工程的安全建设和运营提供科学支撑。