基于性态的软土深层地铁车站推覆试验与设计方法研究

With the rapid development of urbanization, development of underground public transportation, such as metro systems, shows the trend of networking and deep-excavation. Many design problems, such as the increase of soil and water pressures as well as sharp decrease of the lateral structural stiffness which are aroused by deep-excavation of modern subway stations, bring great challenges to seismic safety of underground engineering. In view of this, aiming at the features of large structural depth and high axial compression, the presented application will carry out elastic-plastic pushover tests for deep-excavation subway station structures under high axial pressure to reveal the weakness and potential seismic damage mode; Based on the user subroutine development platform of the finite element code ABAQUS, a refined damage model of subway station structure will be established and the nonlinear mechanical behavior will be traced and studied during the whole dynamic process, then the displacement-based and damage-based seismic performance evaluation index as well as their limit values will be proposed for the deep-excavation subway station structures; On the basis of current national standards and local specifications, a simplified performance-based seismic design method will be presented for deep-excavation subway station structure. The research fruits will bring a further understanding of the seismic performance of deep-excavation underground structures and provide scientific basis for seismic damage control and structural optimization of underground structures, promote the current underground structure seismic design to the performance-based one as well.

随着我国城市化进程的飞速发展，以地铁为代表的城市地下公共交通设施发展呈现网络化、深层化趋势。现代地铁车站结构深层化带来的水土压力增加、结构整体抗侧向力刚度急剧下降等问题使得地下工程的抗震安全性能受到极大挑战。鉴于此，本项目拟针对深层地铁车站结构大深度、高轴压等特点，开展其在高轴压作用下的弹塑性推覆试验，揭示深层地铁车站结构的薄弱环节及震害模式；基于ABAQUS用户子程序开发平台，建立深层地铁车站结构的精细化损伤模型，研究其在地震作用下的全过程非线性力学行为，提出基于位移和损伤的深层地铁车站结构抗震性能评估指标及其阈值；在现有国家标准与地方规范的基础上，提出基于性态的深层地铁车站结构简化抗震设计方法。本项目研究成果将加深人们对深层地下结构抗震性能的深入认识，为地下结构震害控制、结构构件优化提供科学依据，并促进地下结构抗震设计向性态化设计方向发展。

随着我国城市化进程的飞速发展，为解决城市地面与浅层地下的拥挤现状，以地铁为代表的城市地下公共交通设施向地下深层化发展已成为我国乃至世界城市地下空间资源开发利用的必然趋势。现代地铁车站结构深层化带来的水土压力增加、结构整体抗侧向力刚度下降、薄弱环节不易察觉等问题使得地下工程的抗震安全性能受到极大挑战。鉴于此，本项目以深层地铁车站结构为对象，开展大比尺弹塑性推覆试验和数值模拟试验，揭示深层地下结构的地震破坏机理，提出基于性态的抗震指标和简化抗震设计方法。.本项目按项目计划书要求完成全部预定研究内容。已取得的主要研究成果包括：1）开展深层地铁车站结构大比尺弹塑性推覆试验，揭示车站结构的裂缝发生位置及开展过程、塑性铰出现位置及发展顺序，明确结构的破坏模式与薄弱环节；2）开展了不同轴压比条件下深沉地铁车站结构抗震能力的弹塑性数值模拟研究，得到骨架曲线、耗能能力、强度与刚度退化等结构抗震性能与轴力的关系，基于形态抗震设计要求，提出了基于变形、能量、损伤、刚度退化的抗震性能评估指标；3）在国家标准和地方工程建设规范所建议的地下结构抗震设计方法基础上，提出了基于性态的深沉地铁车站结构抗震设计方法，并考虑土-结相互作用对抗震设计方法进行了修正。.本项目所做研究揭示了深层地铁车站结构的地震破坏全过程，提出了基于性态的深层地铁车站抗震性能指标与设计方法，对提高我国地下空间的抗震防灾水平，促进深沉地下空间的科学开发与安全利用起到了积极作用。项目研究成果将加深人们对深层地下结构抗震性能的深入认识，为地下结构震害控制、结构构件优化提供科学依据，并促进地下结构抗震设计向性态化设计方向发展。