基于剪切耗能控制的大跨度地下空间结构减震机理研究中文摘要

随着我国地下空间结构在数量、规模和空间尺度上的急速增长，迫切需要发展新思路和新方法以提升大跨度地下空间结构抵御地震灾害的能力。本项目针对大跨度地下空间结构，着重研究采用剪切型耗能控制策略，以实现减轻大跨度地下空间结构震害的机理。本项目首先从地下结构高轴压比条件下的剪切板阻尼器低周反复加载试验出发，探索高轴压比下剪切板阻尼器的耗能机制，建立适合地下结构地震响应特点、考虑高轴压比影响的剪切板阻尼器恢复力模型；将上述模型应用于大跨度地下空间结构的非线性地震响应时程分析，通过系统的精细化数值模拟，基于能量概念，揭示强震作用下大跨度地下结构的消能减震机理，提出可用于地下结构抗震设计的震害控制理论和方法。研究成果有望促进大跨度地下结构消能减震机理的深入认识，推动先进抗震设计理念和减震控制技术在地下结构中的应用，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目的最大创新之处在于将减震耗能控制概念引入大跨度地下空间结构的防灾减灾中。首先，从构件层次，开展了剪切板阻尼器减震装置的低周反复加载实验，揭示了高轴压比条件下剪切板阻尼器的力学性能和耗能机制，提出了考虑轴压比影响的恢复力模型；其次，建立了适用于地下结构的高轴压比剪切板阻尼器的有限元建模方法，并采用上述模型进行了减震控制地下结构非线性地震响应时程分析，研究成果有助于初步验证剪切板阻尼器的减震效果并揭示其在大跨度地下结构中的消能减震机理；最后，开展了阻尼器优化布置和震害控制方法研究，以阻尼器—结构强度比作为减震设计性能参数，提出了优化设计方法和最优设计性能参数范围。本项研究是大跨度地下结构减震控制理论与关键技术的初步探索，具有重要的科学理论价值和创新性。

在研项目按项目计划书要求完成全部预定研究内容。已取得的主要学术成绩：1）高轴压比条件下剪切板阻尼器的耗能机制；2）基于剪切耗能控制的大跨度地下结构减震机理。研究成果发展和完善了大跨度地下结构减震控制理论和精细化数值分析方法，推动了基于剪切耗能控制的先进抗震设计理念和减震控制技术在地下工程中的应用。已发表第一作者SCI论文2篇，SCI源刊（待收录）3篇，EI论文3篇，申请国家发明专利3项。有关成果在2部国家标准和地方规范中得到应用，获得上海市科技进步三等奖1项。.针对当前我国软土地下大空间结构抵御地震灾害能力亟待提升的迫切需求，拟申请项目将研究：1）软土地下结构动态离心模型试验；2）考虑跨尺度效应的三维精细化混合建模方法及验证；3）地下大空间结构减震控制机理。旨在揭示强震下软土地下大空间结构地震破坏机理以及基于能量转移和耗散的减震控制机理，为进一步提高我国地下工程的抗震防灾水平提供科学支撑。

本项目以软弱覆盖土层中的地下大空间结构为研究对象，综合采用先进动态离心模型试验和三维精细化数值仿真技术，揭示软土地下大空间结构在强地震作用下的非线性动力响应规律及其灾变机理，研究地震能量在地下结构中的传递机制和耗散效应，揭示基于能量分析的减震控制原理，为进一步提高我国地下工程的抗震防灾水平提供科学支撑。 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）采用高精度的动态离心模型试验技术，重点研发了可保证重复制备砂土试样的设备和方法以及可获得地下结构动力响应特征的测试元件桥路设计，真实模拟软弱土层的应力场，精确再现“软土－减震装置－地下结构”系统原型在实际应力条件下的真实动力响应；2）试验验证了地下结构受周围岩土介质变形或相对位移影响显著的动力响应特征，揭示了减震层通过吸收地下结构周围岩土介质的相对位移，进而降低结构内力和变形，最终减轻甚至避免了结构震害的作用原理；3）建立并验证了考虑跨尺度效应的混合建模方法，开展了三维精细化地震响应参数分析，实现了大开车站倒塌破坏模式的数值再现，研究结果表明：强竖向地震动增大了中柱轴压、从而降低了中柱的抗侧移能力，而高轴压、弱抗剪承载能力以及构造措施不足是导致中柱破坏、车站坍塌的主要因素；4）在此基础上，对软土中典型双层地铁车站进行了减震装置的空间优化布置设计，归纳了地震能量输入、转移、分布、耗散与吸收的规律，实现减震耗能装置在地下结构中的有效设计和优化布置，揭示了基于“替换”和能量概念的地下大空间结构的减震控制原理。 本项目是已结题青年基金项目的深化与拓展，重点实现高精度试验模拟和精细化数值建模的突破，为正确反映地下工程结构在地震作用下的性态、深入认识和理解地下结构地震破坏机理和减震控制原理提供更真实、可靠、精确的科学数据和新的研究途径。研究成果已发表SCI收录学术论文8篇（均为第一作者或通讯作者）、EI论文3篇；参编著作2部；授权国家发明专利3项；获教育部自然科学二等奖1 项（排名第2 ）和上海市科技进步三等奖1 项（排名第4）。 2100433B