拱形地下结构地震破坏机理及构件承载功能研究

The recent constructed underground structures mostly are the bored structures with an arch roof, referred as the arch underground structures. However, a clear recognition of the collapse mechanism and the load-bearing functions of structural components caused by earthquakes hasn’t been achieved yet. In this program, the 3D seismic responses of arch underground structures will be studied. Then the failure mechanism will be revealed, and the corresponding shock absorption methods will be proposed. The main research contents of this program are list as follows. (1) The failure mechanism of the arch underground structures will be systematically explored by analyzing the load-bearing functions of structural components and the load distribution of arch structures. Then the key components for the aseismic design of arch underground structures will be presented. (2) The radian of the roof influencing the functions of the roof and the surrounding soils constraining structures will be studied, and the optimal radian of the roof will be proposed. (3) After discussing the ground loss and soil condition affecting the stress states of underground structures, the buried depth influencing the seismic responses of arch underground structures will be studied. Then the range of the buried depth of the strongest seismic response for underground structures will be determined. (4) Shock absorption methods will be proposed based on the failure mechanism of arch underground structures, and the validity of the shock absorption methods will be verified. The achievements could be used to perfect the aseismic methods and theories of underground structures.

目前新建的地铁车站结构多数为采用暗挖法施工、顶板为拱形的地铁车站结构，即拱形地下结构，然而对拱形地下结构地震破坏机理和构件承载功能认尚没有清晰的认识。鉴于此，本项目研究拱形地下结构地震反应规律，揭示拱形地下结构地震破坏机理，并提出拱形地下结构减震措施。主要研究内容包括：（1）研究拱形地下结构在强震作用下破坏机理，明确结构构件的承载功能和体系受力分配，提出结构抗震关键构件；（2）研究围岩土体对结构的约束作用、顶板内力形式受顶板弧度的影响规律，确定拱形地下结构顶板抗震最优弧度；（3）研究地震作用下，埋深与场地条件对拱形地下结构和围岩土体变形的影响规律，确定考虑场地条件的拱形地下结构抗震最不利埋深范围；（4）提出拱形地下结构减震技术措施，研究减震技术措施的有效性。研究成果可以为完善我国地下结构抗震分析方法和设计理论提供指导。

目前新建的地铁车站结构多数为采用暗挖法施工的顶板为拱形的地下结构，然而关于拱形.地下结构地震反应规律的系统性研究相对于矩形结构较少。项目设定的研究目标为分析（1）围岩土体土压力大小与分布规律、地下结构各构件的受力功能和分配、以及地下结构地震破坏机理；（2）拱顶弧度和埋深对拱形地下结构地震反应的影响规律；（3）拱形地下结构减震措施及减震性能。针对项目设定的研究目标与相关研究内容，开展了以下研究工作：（1）拱顶地铁车站结构地震反应研究，探讨了起拱弧度对车站结构地震反应的影响规律，并解析了拱顶地铁车站结构各构件的受力功能，并揭示了结构地震破坏机理，中柱仍为拱顶地铁车站结构的抗震关键构件。（2）研究了围护结构-地铁车站结构-围岩土体地震反应规律，围护结构对围岩土体和地铁车站结构的损伤破坏模式存在较大差异，有围护结构的上下层变形差异有减小的趋势。（3）提出地下结构顶板-侧墙减震缝构造措施，切断侧墙到顶板的传力路径，以减小作用于中柱上的地震荷载以及顶板的内力。（4）提出侧墙-地下连续墙变形吸收支撑系统，通过减少地震引起的结构水平变形，减轻地下结构的地震损伤。基于试验和数值方法研究了往复加载条件下FDAB的力学性能。（5）设计一种水平变形能力较强的装配式叠层加芯柱，用于替换地下结构中的现浇立柱。通过力学分析，建立叠层加芯柱的荷载-位移关系解析模型，阐明叠层加芯柱的破坏模式及失效判别方法。（6）提出采用CFRP包裹地下框架结构立柱的抗震加固方法，通过数值模拟和试验结果对比研究CFRP加固柱的受力变形规律，阐明CFRP加固柱用于提升地铁车站结构抗震性能的可行性。本项目清晰地阐述了拱形地下结构的地震破坏机理，使研究者和工程师更加准确地判断拱形结构的抗震薄弱环节，并提出了合理的抗震设计方法与减震控制技术。研究成果既可以为完善我国地下结构抗震分析方法和设计理论提供指导，也对发展地下结构抗震设计理论与方法意义重大。