装配式地铁车站结构抗震性能评价方法与性态控制

Seismic resistant is the primary technological problem to restrict the promotion of prefabricated subway station in Beijing and other high-intensity areas. The main objective of this project is to study the connection type and the constitution of the prefabricated construct joint and the mechanical properties of the whole structure. It’s based on the understanding of the finished domestic prefabricated subway station using the grout sleeve connection and dovetail connection. The mechanical property experiments of the typical joint region for the prefabricated construct will be conducted to establish the equivalent macroscopic mechanical model for the joint region. Considering the nonlinearity and the strain softening behavior after the peck strength of inner medium and the damping effect of the infinite field energy radiation, the seismic failure process of prefabricated subway station structure will be simulated by combing the macroscopic mechanical model of joint region and using the time-domain explicit global analysis method. The damage mechanism and failure mode of prefabricated subway station can be revealed by the simulation. Furthermore, a performance-based seismic analysis and evaluation method will be proposed. Based on the proposed performance-based seismic analysis and evaluation method, the seismic isolation and reduction method of underground structures will be developed to optimize the anti-seismic system of the prefabricated subway station, improve the horizontal deformation ability and the vertical carrying capacity, then enhance the seismic capacity of prefabricated subway station structure. These research achievements will provide the theoretical method for the seismic design of the main structure of the prefabricated subway station. Besides, it can supply the scientific countermeasures for the seismic performance optimization and controlling of the internal support system.

抗震问题是制约装配式地铁车站结构在北京等高烈度地区推广的首要科技难题。项目结合国内已建的灌浆套筒连接和榫连接形式的装配式地铁车站，从预制构件节点的连接方式、构造以及结构整体的力学特性出发，开展预制构件典型连接节点区域的力学特性试验，建立节点区域力学等效的宏观模型；考虑内域介质材料非线性与峰值强度后的应变软化特性，无限域能量辐射的阻尼效应等因素的影响，结合节点区域宏观模型利用时域显式整体分析方法，进行装配式地铁车站结构地震破坏过程模拟，揭示破坏机理与失效模式，发展地下结构基于性态的抗震分析与评价方法；基于地震破坏机理提出地下结构抗震性能评价指标，优化装配式地铁车站结构抗震体系，增强水平向的变形能力提高竖直向的承载能力，提高装配式地铁车站结构的抗震能力，发展地下结构领域的减隔震控制方法。研究成果将为装配式地铁车站主体结构的抗震设计提供理论依据，为内支撑体系抗震性能优化与性态控制提供科学对策。

装配式地铁车站建造技术是实现大型城市地下工程建筑工业化和施工机械化的重要途径，对于加快建设速度、提高工程质量、降低工程造价及减少环境污染具有重要意义。然而，抗震问题是制约预制装配式地铁车站结构推广应用的重要科技难题。本项目综合运用理论分析、模型试验和数值模拟等研究方法，开展了预制构件典型连接节点等效力学模型、基于性态及失效模式控制的装配式地下结构抗震性能分析与评价方法以及装配式地下结构的减震控制技术及抗震性能优化三个方面的研究工作。基于灌浆套筒连接的侧墙-底板节点的力学特性试验，建立节点区域的等效损伤力学模型。利用局部装配思想，考虑地下结构的抗震性能优化，提出顶板-侧墙减震缝、侧墙-地下连续墙变形吸收支撑、中柱摩擦隔震支座、装配式叠层加芯柱以及CFRP加固柱等地下结构装配技术，通过构件模型试验、解析分析、数值模拟等方法研究关键节点及构件的力学特性；建立灌浆套筒连接装配整体式地铁车站结构与围岩系统整体数值模型，采用提出的超固结土的三维弹塑性本构模型描述围岩土体的力学特性，开展装配整体式地铁车站的三维抗震性能分析与评价，建立地下框架结构的极限抗震性能分析方法及基于失效模式控制的地下结构抗震性能提升方法；将提出的减震技术应用到地下框架结构中，利用整体三维地震反应模拟方法对比分析了现浇结构与改进结构的抗震性能，验证了减震控制方法的有效性，研究结果推动了装配式地铁车站结构的抗震设计方法和减震控制技术领域的科技进步，实现了项目的预期目标。在研期间，项目负责人已在国内外学术期刊发表论文30篇，其中SCI论文21篇，EI论文8篇；授权国家发明专利5项；项目负责人获得“国家杰出青年科学基金” 资助，获得第十五届中国青年科技奖；培养获博士学位研究生4名，获硕士学位研究生6名，在读博士生4名，在读硕士生2名。