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A study on bearing characteristic and failure mechanism of thin-walled structure of a prefabricated subway station

Frontiers of Structural and Civil Engineering 2022年第3期16卷 359-377页

作者： lianjin tao Cheng SHI Peng DING Sicheng LI Shang WU Yan BAO Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of the Ministry of Education Beijing University of TechnologyBeijing 100124China Department of Hydraulic Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China China Construction Science&Technology Group Co. LtdBeijing 100195China

In order to study the bearing performance of a new type of prefabricated subway station structure(PSSS),firstly,a three-dimensional finite element model of the PSSS was established to study the nonlinear mechanics and deformation performance.Secondly,the bearing mechanism of a PSSS was investigated in detail.Finally,the development law of damages to a thin-walled prefabricated component and the failure evolution mechanism of a PSSS were discussed.The results showed that this new type of the PSSS had good bearing capacity.The top arch structure was a three-hinged arch bearing system,and the enclosure structure and the substructure were respectively used as the horizontal and vertical support systems of the three-hinged arch structure to ensure the integrity and stability of the overall structure.Moreover,the tongue-and-groove joints could effectively transmit the internal force between the components and keep the components deformed in harmony.The rigidity degradation of the PSSS caused by the accumulation of damages to the spandrel,hance,arch foot,and enclosure structure was the main reason of its loss of bearing capacity.The existing thin-walled components design had significant advantages in weight reduction,concrete temperature control,components hoisting,transportation and assembly construction,which achieved a good balance between safety,usability and economy.

关键词： prefabricated subway station thin-walled components finite element analysis bearing characteristic failure mechanism

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摩擦摆隔震地铁车站结构地震响应规律研究

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防灾减灾工程学报 2024年第1期44卷 146-155页

作者：韩学川陶连金解咏平河北地质大学城市地质与工程学院河北石家庄050031 河北省地下人工环境智慧开发与管控技术创新中心河北石家庄050031 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

基于ABAQUS软件建立土-隔震地铁车站结构静-动力耦合三维数值仿真模型,以典型两层两跨箱型结构为研究对象,将摩擦摆隔震支座应用于地铁车站结构,通过在中柱不同位置布置隔震支座,研究隔震地铁车站的地震响应规律和减隔震效果。结果表明:... 详细信息

基于ABAQUS软件建立土-隔震地铁车站结构静-动力耦合三维数值仿真模型,以典型两层两跨箱型结构为研究对象,将摩擦摆隔震支座应用于地铁车站结构,通过在中柱不同位置布置隔震支座,研究隔震地铁车站的地震响应规律和减隔震效果。结果表明:(1)摩擦摆隔震支座能够增大车站侧墙和板的相对水平位移以及中柱的绝对水平位移且能够有效减小中柱的相对水平位移;从控制结构中柱相对水平位移方面考虑,单支座隔震地铁车站结构应将隔震支座布置于车站底层中柱底部位置,而双支座隔震地铁车站结构应布置于车站顶层和底层中柱柱底位置;(2)摩擦摆隔震支座能够降低隔震层中柱的应力,隔震支座布置于顶层时,其对底层各构件的应力影响较小;隔震支座布置于底层时,最大应力出现在侧墙底部位置且能够有效减小隔震层中柱应力集中的现象;(3)摩擦摆隔震支座能够有效降低隔震层中柱的剪力和弯矩,而对于非隔震层中柱内力的降低则效果不佳;从控制结构中柱内力方面考虑,双隔震支座结构优于单隔震支座结构。

关键词：摩擦摆隔振支座动力特性地震响应数值模拟地铁车站

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拟静力法在基坑抗震中的应用探讨

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力学与实践 2024年第2期46卷 401-408页

作者：陶连金任育杰贾志波北京工业大学城市建设学部

基坑工程作为项目建设的重要环节，其稳定性关系城市安全。随着地下枢纽、立体交通等理念的提出，部分基坑呈现规模大、周期长、周边环境复杂等特点。此时，不能简单将其视为一种临时结构，需要考虑地震等偶发灾害的影响。为了计算地震... 详细信息

基坑工程作为项目建设的重要环节，其稳定性关系城市安全。随着地下枢纽、立体交通等理念的提出，部分基坑呈现规模大、周期长、周边环境复杂等特点。此时，不能简单将其视为一种临时结构，需要考虑地震等偶发灾害的影响。为了计算地震工况下的安全性，将拟静力法引入到基坑的稳定性分析中。汇总归纳了现有规范中的拟静力法，基于各规范的特点讨论了折减系数和放大系数取值原则。通过时程分析法，从剪力、弯矩和位移等方面进行验证。结果表明：在应用拟静力法时，应该考虑基坑工程的特点。区别于边坡工程，基坑工程加速度小于或接近地表设计地震。因此，加速度放大系数可取为1。折减系数取0.25时，拟静力法计算结果略大于时程分析法，可以达到包络设计的目的。

关键词：基坑稳定性地震力拟静力法加速度放大系数折减系数

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地铁车站结构下穿地上建筑物振动台试验研究

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地下空间与工程学报 2024年第1期20卷 143-151页

作者：韩学川陶连金张宇解咏平河北地质大学城市地质与工程学院石家庄050031 河北省地下人工环境智慧开发与管控技术创新中心石家庄050031 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

为了研究上盖地铁车站结构的地震动力响应规律,开展了相似比1∶40的粉细砂场地振动台试验研究,并对试验过程中加速度、应变和动土压力等指标进行了详细的分析,试验数据表明:(1)随着地震强度的增加,同一监测点的加速度峰值逐渐增大,但加... 详细信息

为了研究上盖地铁车站结构的地震动力响应规律,开展了相似比1∶40的粉细砂场地振动台试验研究,并对试验过程中加速度、应变和动土压力等指标进行了详细的分析,试验数据表明:(1)随着地震强度的增加,同一监测点的加速度峰值逐渐增大,但加速度的放大系数和变化幅度逐渐减小;(2)土体加速度放大系数最大值位于地表,随着地震强度的增加,加速度放大系数最小值的位置逐渐由模型底部过渡到结构所在位置;(3)模型结构的应变响应随地震强度的增加呈逐渐增大的趋势,应变较大值主要出现在侧墙、中柱与板相交处,尤其是中柱端部位置;(4)地铁车站侧墙跨中的动土压力峰值大于顶部和底部,应适当增大车站中板位置处的侧向刚度或抗变形能力。研究成果可为类似地铁车站结构的抗震设计与分析提供参考依据。

关键词：地铁车站结构地震响应加速度振动台试验动土压力

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逆断层错动作用下双仓管廊结构力学特性和抗断设计研究

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土木工程学报 2024年第7期57卷 37-50页

作者：王志岗陶连金石城史明刘建功北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

断层蠕滑错动和地震作用对穿越断层及其上覆土层的浅埋地下结构的破坏是极其严重的。通过开展节段双仓管廊结构穿越45°逆断层的1∶30室内相似模型试验,对双仓管廊结构的位移、应变和接触压力分布规律等主要参数开展实时监测,并结合结... 详细信息

断层蠕滑错动和地震作用对穿越断层及其上覆土层的浅埋地下结构的破坏是极其严重的。通过开展节段双仓管廊结构穿越45°逆断层的1∶30室内相似模型试验,对双仓管廊结构的位移、应变和接触压力分布规律等主要参数开展实时监测,并结合结构的渐进破坏过程、破坏模式和分布特征进行深入分析,以清晰揭示逆断层错动作用下节段双仓管廊结构的力学响应规律和致灾机理。结果表明:柔性接头可较好地释放断层蠕滑错动产生的能量和强制位移,并减小施加在结构上的弯曲剪切复合作用。节段衬砌结构的相邻节段影响较小,仅在C~E块的接头处出现局部破坏,避免了结构出现整体坍塌。上盘区域内管廊结构的位移变化明显。靠近断层面的双仓管廊结构的内力响应显著,尤其是70~120cm管廊结构破坏严重,应作为重点设防区域。逆断层错动完成后,双仓管廊结构易出现张拉和压缩破坏,其开裂破坏形式主要有裂缝、环间错台和剥落掉块。可见采用柔性接头措施可有效提高穿越断层的地下结构的抗断性能和震后保通能力。

关键词：逆断层双仓管廊柔性接头模型试验力学行为

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循环进尺对隧道洞口段施工动态稳定性影响研究

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市政技术 2024年第6期42卷 60-67页

作者：李文涛赵旭郭飞陶连金黎若寒北京工业大学城市建设学部北京100124 北京市政建设集团有限责任公司北京100048 同济大学土木工程学院上海200092

研究施工过程中隧道-围岩相互作用和破坏机理对维持结构稳定至关重要,采用有限元软件建立了福建省福州市罗汉山隧道计算模型,讨论了施工过程中围岩和结构位移及塑性区发展,基于强度折减法分析了考虑前切面和不同循环进尺下隧道模型的安... 详细信息

研究施工过程中隧道-围岩相互作用和破坏机理对维持结构稳定至关重要,采用有限元软件建立了福建省福州市罗汉山隧道计算模型,讨论了施工过程中围岩和结构位移及塑性区发展,基于强度折减法分析了考虑前切面和不同循环进尺下隧道模型的安全系数变化规律。通过分析可知,隧道洞口段围岩和边坡中塑性区贯通发育是其破坏的主要原因,塑性区贯通后边坡进入失稳状态,进而将荷载和变形传递给隧道结构;通过强度折减法获得了不同循环进尺下的安全系数,循环进尺越小隧道洞口段的边坡稳定性越高。研究成果可为隧道洞口段施工稳定性的估计和失稳预测提供理论依据。

关键词：隧道洞口段循环进尺稳定性强度折减法安全系数

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相邻深基坑开挖相互影响及变形控制研究

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市政技术 2024年第6期42卷 81-88,98页

作者：陶连金胡国庆焦伯阳郭飞赵旭张宇北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室北京100124 北京市政建设集团有限责任公司北京100020 北京建筑大学土木与交通工程学院北京102627

以北京城市副中心站综合交通枢纽项目大铁深基坑和02B区深基坑分期开挖为研究对象,采用有限元软件建立了局部精细化模型,对相邻深基坑开挖的变形特性和影响因素进行了研究,并提出了深基坑变形控制措施。研究结果表明,在相邻深基坑近接... 详细信息

以北京城市副中心站综合交通枢纽项目大铁深基坑和02B区深基坑分期开挖为研究对象,采用有限元软件建立了局部精细化模型,对相邻深基坑开挖的变形特性和影响因素进行了研究,并提出了深基坑变形控制措施。研究结果表明,在相邻深基坑近接施工过程中,先开挖的深基坑呈向后开挖深基坑方向移动的趋势,而坑间土地表沉降变形从凹槽形变为双峰形;根据拟合出的变形曲线斜率,可以将相邻深基坑近接施工影响分区划分为:d<2h为强影响区,2h≤d<4h为次影响区,4h≤d<6h为弱影响区,d≥6h为无影响区;为了确保深基坑群施工的整体稳定性,最优开挖顺序是同步开挖,如需分步开挖应优先开挖支护结构刚度较大、支护力度较强的深基坑;该工程可通过及时在逆作区架设上斜撑来实现变形控制的目的。

关键词：相邻深基坑同步开挖相互影响变形控制措施

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逆断层错动作用下考虑柔性接头的综合管廊结构力学行为研究

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铁道科学与工程学报 2023年第6期20卷 2256-2267页

作者：王志岗陶连金石城安韶北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

为研究逆断层错动作用下设置柔性接头减灾措施的综合管廊结构的力学行为和破坏模式,采用1︰30逆断层模型试验及数值计算分析的方法,对45°逆断层错动作用下管廊结构位移、应变、管廊与围岩接触压力变化规律和破坏模式等关键参数进行详... 详细信息

为研究逆断层错动作用下设置柔性接头减灾措施的综合管廊结构的力学行为和破坏模式,采用1︰30逆断层模型试验及数值计算分析的方法,对45°逆断层错动作用下管廊结构位移、应变、管廊与围岩接触压力变化规律和破坏模式等关键参数进行详尽分析,清晰揭示了逆断层错动作用下考虑柔性接头的综合管廊结构力学行为和破坏模式。研究结果表明:逆断层错动作用下,上盘内考虑柔性接头的管廊结构的响应情况和破坏程度明显大于下盘。断层错动完成后,管廊结构整体沿轴向呈S型分布,其中B-D块管廊结构顶板出现明显的连续错台现象,而底板出现挤压破坏。断层错动后管廊结构的破坏模式主要包括裂缝(纵向裂缝和斜向裂缝)、混凝土脱落和钢丝外露3种。上盘和下盘内管廊结构的顶板分别承受正弯矩和负弯矩作用,底板分别承受负弯矩和正弯矩作用,处于偏心受力状态。基于损伤因子建立4级受损程度等级:无破坏、轻微破坏、中度破坏和严重破坏,评估发现使用柔性接头的管廊结构仅在接头等局部区域出现轻微破坏和中度破坏,未出现严重破坏区域。柔性接头的使用可有效吸收断层错动施加在结构的强迫位移和内力,提高了穿越断层的管廊结构的安全性。试验与模拟的分析结果可为后续类似跨活动断层隧道工程提供参考。

关键词：逆断层综合管廊柔性接头模型试验数值模拟力学行为

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考虑主应力偏转和土拱效应的干砂盾构隧道掌子面极限支护力计算方法研究

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岩土工程学报 2023年第3期45卷 530-540页

作者：张宇陶连金刘军赵旭郭飞边金北京建筑大学土木与交通工程学院北京102627 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 北京市政建设集团有限责任公司北京100048 广东海洋大学海洋工程学院广州湛江524094

深埋干砂盾构隧道在施工过程中存在显著的土拱效应,如何确定考虑土拱效应的隧道掌子面极限支护力至关重要。基于极限平衡法和楔形体理论,提出了一种多层抛物线承载拱模型。根据隧道不同埋深下掌子面失稳破坏的特征和土拱类别,将隧道状... 详细信息

深埋干砂盾构隧道在施工过程中存在显著的土拱效应,如何确定考虑土拱效应的隧道掌子面极限支护力至关重要。基于极限平衡法和楔形体理论,提出了一种多层抛物线承载拱模型。根据隧道不同埋深下掌子面失稳破坏的特征和土拱类别,将隧道状态划分为浅埋隧道、过渡隧道和深埋隧道。考虑多层抛物线承载拱区域主应力偏转角和侧向土压力系数的连续性,并假定抛物线承载拱为满足合理拱轴线三铰拱结构,推导了过渡区和深埋区多层抛物线承载拱荷载传递的计算公式,进而通过极限平衡法计算得到掌子面极限支护力。将本模型计算结果与已有理论模型、模型试验和数值结果进行对比,验证了本模型计算得到的掌子面极限支护力和失稳破坏区的合理性。最后,通过参数分析讨论了土体内摩擦角对隧道浅埋和深埋分界线以及极限支护力的影响。该研究成果可为深埋干砂盾构隧道极限支护力的预测提供理论依据。

关键词：盾构隧道极限平衡极限支护力理论解析土拱效应

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场地类别对装配式地铁车站结构地震响应的影响

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隧道建设（中英文） 2022年第3期42卷 378-387页

作者：陶连金曹乾坤石城丁鹏北京工业大学城市建设学部北京100124 清华大学土木水利学院北京100084

为研究装配式地铁车站结构在不同场地条件下的地震响应,基于有限元软件,建立地层-装配式地铁车站结构三维静动力耦合非线性有限元分析模型,分析不同场地类别、不同地震动峰值加速度以及竖向地震动条件下装配式地铁车站结构的地震响应,... 详细信息

为研究装配式地铁车站结构在不同场地条件下的地震响应,基于有限元软件,建立地层-装配式地铁车站结构三维静动力耦合非线性有限元分析模型,分析不同场地类别、不同地震动峰值加速度以及竖向地震动条件下装配式地铁车站结构的地震响应,并给出装配式地铁车站的加速度、变形、应力及塑性损伤的变化规律。分析表明:1)场地类别由Ⅱ类变为Ⅲ类时,车站结构顶底间最大相对水平位移与接头张开角逐渐增大,且增长幅度变大,但接头张开角仍较小(<0.10°),验证了接头的稳定性和安全性;2)在Ⅲ类场地条件下,拱腰、拱肩以及侧墙上下端附近的围护结构等位置易出现塑性损伤;3)相比单向水平地震动,增加竖向地震动会显著增大装配式地铁车站结构的变形、应力、接头张开角及塑性损伤。总体来看,在Ⅱ类场地条件下,输入地震动峰值加速度分别为0.1g和0.2g时,结构基本处于弹性工作状态;在Ⅲ类场地条件下,输入地震动峰值加速度为0.4g时,结构处于弹塑性工作状态且塑性区体积较大。

关键词：装配式地铁车站场地类别地震响应数值模拟

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