完全非平稳空间变化地震动作用下地铁隧道震损特征研究

Railway transit system has become one of the most important lifeline engineerings, underlying earthquake hazards constitute a severe threat to its safety operation and the safety of passengers. In recent years, the development of simulation methods of spatially varying earthquake ground motions significantly facilitates the aseismic study of extended structures. However, for the subway tunnel involving numerous simulation points, the efficiency of existing simulation methods of fully non-stationary ground motion is too low to meet the demand of scientific study and practical engineering. Besides, the influence of spectral non-stationarity of ground motion on the seismic behavior and damage characteristics of subway tunnels is still not clear. Studies on the influence of fully non-stationary spatially varying earthquake ground motions on the mechanical behavior and damage distribution characteristics of subway tunnel are still lacking. Therefore, efficient simulation methods of fully non-stationary spatially varying earthquake ground motions will be developed first in this project. Based on these novel methods and through model test, numerical methods, and theoretical analysis, the influence mechanism of spectral non-stationarity on the seismic behavior and damage evolution process of subway tunnels will be revealed; and the mechanical behavior evolution and damage distribution characteristics of subway tunnel under fully non-stationary spatially varying earthquake ground motions will be investigated.

城市轨道交通系统已成为我国最重要的生命线工程之一，潜在的地震灾害对其安全运营以及人民生命财产安全构成了严重威胁。近年来，空间变化地震动合成方法的发展显著推动了长大工程结构的抗震研究。然而，对于地铁隧道这种需要大量合成点的工程而言，现存的完全非平稳空间变化地震动模拟方法的计算效率尚不能满足理论研究及工程应用的需要。另外，地震动的频域非平稳性对地铁隧道结构抗震性能、损伤演化过程的影响尚不明确，完全非平稳空间变化地震动对地铁隧道力学性能、损伤分布特征的影响尚未得到充分研究。因此，本项目拟首先发展完全非平稳空间变化地震动的快速模拟方法，并以此为基础通过模型试验、数值计算和理论分析手段揭示地震动频域非平稳对地铁隧道抗震性能、损伤演化过程的影响机理和完全非平稳空间变化地震动下地铁隧道力学性能演化与损伤分布特征。

城市轨道交通系统已成为我国最重要的生命线工程之一，潜在的地震灾害对其安全运营以及人民生命财产安全构成了严重威胁。近年来，空间变化地震动合成方法的发展显著推动了长大工程结构的抗震研究。然而，对于地铁隧道这种需要大量合成点的工程而言，现存的完全非平稳空间变化地震动模拟方法的计算效率尚不能满足理论研究及工程应用的需要。另外，地震动的频域非平稳性对地铁隧道结构抗震性能、损伤演化过程的影响尚不明确。.本项目研究从空间变异地震动快速模拟方法研究入手，基于功率谱矩阵奇异值分解方法，构建了一种新的快速高效的空间变异地震动非条件模拟方法，提高了现有空间变异地震动模拟方法的计算效率；基于Hilbert-Huang变换，将空间变异地震动合成公式中的双叠加项的数量大幅削减，从而构建了一种快速高效的空间相关地震动的条件模拟方法；为了使模拟所得地震动能够体现场地土体非线性的影响，采用数值方法开展了空间变异地震动作用下场地反应研究，得到了地震动一致输入与非一致输入下场地反应间的差异以及土体在地震动持时内的时变趋势，进而采用经典一维传播理论中的传递函数模型，结合数值计算，构建了能够反映土体在地震动持时内非线性的完全非平稳的空间变异地震动合成方法；基于上述在地震动模拟方面的成果，采用计算机仿真技术，研究了地铁隧道结构在仅时域非平稳以及完全非平稳地震动作用下的地震响应特征差异，研究结果表明输入地震动的频域非平稳性会给隧道带来更高的加速度响应，并引起更大的径向剪切应力响应和隧道衬砌损伤；因此，具有谱非平稳性的人工地震动可以提供更保守的计算结果。