摘 要

随着社会的发展和工程技术的进步，地下建筑不再局限于地下轨道交通，越来越多的地下大型基础设施建筑被应用于实践，比如地下变电站。而这些建筑往往是地下建筑与地表建筑相结合的形式，并且地表建筑多为超限结构，因此地下结构与其上部超限结构在地震时的相互影响研究就尤为重要。

本文以某地下变电站实际工程为基础，对其结构形式及结构特点进行详细分析，依据相关规范判定其超限结构形式。并且依据原有模型进行模型简化及再建模，建立自由场、地表结构—土、地下变电站结构—土、地下变电站结构—土—地表结构四种模型，对所建模型进行模态分析以验证其模型可靠性并观察模型自振特性。在此四种模型上施加不同方向和不同类型的地震波，分别监测其土体表面、地下变电站结构及地表生产管理用房结构的地震响应，从而分析在地震作用下地表结构对土体的影响、地下变电站结构对土体的影响、地表结构对地下变电站结构的影响以及地下变电站结构对地表结构的影响，进而研究地下变电站结构和其上部超限结构在地震作用下的相互影响效应。

通过本文分析发现：

1. 地下变电站结构会增大土体表面的地震响应，且越靠近结构的土体所受影响越大；
2. 地表结构对土体的影响要远远小于地下结构对土体的影响；
3. 在地震作用下，地表结构会增大地下变电站结构的地震响应；
4. 在地震作用下，地下变电站结构会减小地表结构的地震响应。

关键词:地下变电站；超限结构；地震响应；相互作用

Abstract

With the development of society and the advancement of engineering technology, underground buildings are no longer confined to underground rail transit. More and more underground large-scale infrastructure buildings are used in practice, such as underground substations, which are often combined with underground buildings and surface buildings, and most of the surface buildings are over-restricted structures, so the underground structure and its upper limit are overrun. Structural interaction studies are particularly important.

Based on the actual engineering of an underground substation, this paper analyzes its structural form and structural characteristics in detail, and judges its over-limit structure according to relevant specifications. According to the original model, the model is simplified and re-modeled, and four models of free field and surface structure—soil, soil—underground structure, surface structure—soil-underground structure are established. The modal analysis of the model is carried out to verify that the model is reliable. Sex and observe the natural vibration characteristics of the model. Seismic waves of different directions and different types are applied to the four models to detect the seismic response of the surface structure, underground structure and soil, respectively, to analyze the influence of the surface structure on the soil under the action of the earthquake, and the structure of the underground substation to the soil. The influence of the surface structure on the structure of underground substation and the influence of underground substation structure on the surface structure, and then the interaction effect of the underground substation structure and its upper over-limit structure under earthquake action.

1) The underground substation structure will increase the seismic response of the soil surface, and the soil structure closer to the structure is more affected;

2) The influence of the surface structure on the soil is much smaller than the impact of the underground structure on the soil;

3) Under the action of earthquake, the surface structure will increase the seismic response of the underground substation structure;

4) Under the action of earthquakes, the underground substation structure will reduce the seismic response of the surface structure.

Key words: Underground substation; over-limit structure; seismic response; interaction

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1地下结构抗震研究历史及进展 1

1.2.2地下结构抗震设计方法研究历程 2

1.2.3地下变电站结构及其上部超限结构相互影响 3

1.3研究内容 3

第二章 工程概况 5

2.1工程结构概况 5

2.1.1项目概况 5

2.1.2结构特点 5

2.1.3结构设计参数 6

2.1.4材料 7

2.2超限结构判别 7

第三章 计算模型及计算工况 9

3.1计算模型 9

3.1.1模型尺寸及材料参数 9

3.1.2计算范围 12

3.1.3阻尼设置 12

3.1.4边界条件 13

3.1.5地震动输入 14

3.2计算工况 14

3.3监测方案 17

3.3.1土体监测方案 17

3.3.2地表结构和地下结构监测方案 18

第四章 计算结果及分析 21

4.1模态分析 21

4.2地下结构对场地土的影响 23

4.3地表结构对场地土的影响 25

4.4地表结构对地下结构的影响 27

4.4.1地下结构测点布置 27

4.4.2地下结构中心部位 28

4.4.3塔1和塔3正下方部位 29

4.4.4塔2正下方部位层间位移角 31

4.4.5总体分析 32

4.5地下结构对地表结构的影响 34

4.5.1地表结构测点布置 34

4.5.2地表结构各塔不同层的响应分析 35

4.5.3不同地震波作用下地表结构的响应分析 38

4.5.4不同方向地震波作用下地表结构的响应分析 40

4.5.5总体分析 42

第五章 结论与展望 44

5.1结论 44

5.2展望 44

参考文献 45

致谢 47

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

随着改革开放的深入进行，中国城市化水平得到了很大程度的提高，城市常住人口的增多也导致了城市土地需求量的增大。城市的建设不再主要依靠地域的扩张，而是逐渐向地下建筑转变。就武汉和上海而言，武汉市现有人口1091.4万，占地面积8494.41平方公里，在面积上是中国大陆仅次于北京的城市；而上海市拥有人口2423.78万，占地面积却为6340.5平方公里，上海市在面积小于武汉市的前提下却容纳了武汉两倍的人口。反观两市的建设情况，上海市拥有更多的高层建筑和地下建筑，上海市的地铁数量也是武汉市的两倍多，此外国内的地下变电站等大型地下基础设施也主要集中于上海、北京这样的一线城市。由此可见，随着城市的发展，地下建筑结构将会成为城市建设过程中尤为重要的环节。

随着技术的发展，地下结构不再局限于地下管线系统和城市地铁等基础设施，地下自来水厂、地下变电站等大型工厂也逐渐成为城市建设的主流。将变电站建设在地下不仅可以节省土地资源，而且大大的减少了对周围居民的影响和环境的污染。目前北京和上海已建成和在建的地下变电站均有50多座^[1]。

随着大量地下变电站的建设，为最大限度的利用有限的城市土地空间资源，在地下变电站上同时开发管理用房已成为趋势，这样就形成了地下结构与地表结构一体化建设的情况，但由于地下结构和地表结构在使用功能上的差异，上下部的柱网尺寸不一致，从而导致地表结构一般为超限结构。因此，对于这类结构体系，在抗震安全性保障方面集中于两个重要环节：一是地表超限结构的抗震性能问题；二是地表结构与地下结构的相互作用。这些问题近几年才出现，相关研究还很不成熟，因此需开展这方面的研究工作。

1.2国内外研究现状

1.2.1地下结构抗震研究历史及进展

在最初，学者们普遍认为“在地震作用时上部结构所受地震作用较大，但是地下建筑结构所受地震作用则较小”。上世纪90年代，有抗震研究者指出: 虽然至今并无地下结构受地震破坏的工程案例，但从地震作用下地上结构所受破坏来看，地下建筑结构依然存在受地震威胁的可能。

1995 年日本阪神发生特大地震，其中神户市有很多地铁车站和隧道被地震破坏。其中某一车站中柱被完全破坏，车站上方土层也出现了大幅度的沉降，连车站顶板也被破坏的十分严重，人们因此开始注意地下结构抗震的研究 ^[2]。

在对日本阪神地震某车站地震破坏的研究时，An^[3]等对该车站进行了基于二维的有限元研究分析，他们通过数值模拟发现，该车站中柱在承受地震力时抗剪承载力严重不足，而且较为缺乏延性，即使当 竖向地震力时，中柱依然存在这种情况。国内学者周林聪,宫必宁^[4-6]等使用振动台进行实验，研究了结构在竖向地震力下的内力响应，分析发现竖向地震作用会增大结构的响应效应。尚昊^[7]等做了断面较大的地下结构的抗震响应数值分析实验，也说明地震力对中柱的影响很大。总的来说，绝大多数学者认为水平和竖向地震作用力共同导致了地下结构的破坏，尤其中柱受到的破坏最大，车站与土体的位移不一致是造成车站中柱剪力过大的重要原因。

我国地域辽阔，东部地区和西部地区大都处于两大地震带之中，中国地震区划也有五大部分之多，此外软土地区在我国也普遍存在，因而地下结构抗震显得尤为重要。曾经的唐山地震(7.8 级)和汶川地震（8.1级）等都给当地的经济状况和基础设施带来了巨大的破坏。

1.2.2地下结构抗震设计方法研究历程

目前我国地下建筑结构抗震设计还主要依靠于已有的地铁车站的抗震设计方法，国内关于地下结构抗震的规范也较为缺乏。

上世纪50年代之前，国外学者大森房吉创立了地震惯性力方法，在当时设计师普遍采用这种方法进行抗震设计 ^[8]; 到了60年代，前苏联学者福季耶娃使用理论分析的方法，得出当P波和S波作用在隧道上时，隧道的内力状态，而且将他的结论应用在了当时的某实际隧道工程抗震设计中 ^[9-10];之后，Kuesel^[11] 转变以往人们所认为的结构刚度应足够大才能更好承担地震力的思维方法，提出结构存在一定的延性有利于承受地震作用下的变形，而使得结构的反应内力降低的观点。自此以后，科学界对地下结构的抗震设计理念发生了转变，转向通过控制变形来控制结构安全性的方法。之后所产生的共同作用法和反应位移法也是基于这一理念，在之后，美国某隧道工程建设时还产生了同样基于延性和变形理论但更加实用的自由场变形法^[12]。80年代，Hashash^[13]基于在地震作用时，土层和结构共同变形的理念，对二者相互作用进行了进一步的研究。

国内的相关规范规程中对地下结构抗震设计的规定较少，因此，设计师主要通过以往工程实践所积累的经验提出一些行之有效的构造措施来提高抗震能力，如“强柱弱梁”等。但是目前，对于地下变电站结构的抗震构造措施研究则是一片空白。

1.2.3地下变电站结构及其上部超限结构相互影响

地下变电站结构不同于地上变电站结构，在设计时不仅要满足地下部分的稳定，还要考虑与上部结构相结合，同时满足地表建筑的居住舒适度和抗震能力能等地表建筑结构规范所规定的内容，对地表结构和地下部分进行综合考虑^[14]。

由于地下变电站多建于繁华地段，所以在地下变电站建设时不仅要考虑地下部分与其上部结构的相互影响，还应考虑地下变电站与其周边已有建筑物的相互影响。在城市区域，建筑结构较为密集，地表建筑结构与地下各种结构及管线系统形成交互错杂的结构网络，这些结构之间会产生复杂的相互影响，并且还会影响地震波的传播方式。在地震作用下，相邻结构之间通过地基土结合在一起，因而相邻结构会改变土体的运动状况，在地震作用下，相邻结构及其附近土体也会产生明显的相互影响^[15]。Padron等^[16-17]指出由相邻地表及地下结构和土体之前的相互作用所产生的各种运动均不可被忽略。

以往国内外关于相邻结构的相互影响研究主要集中于两个相邻地表结构，缺乏对多个相邻结构的深入研究，国内学者王国波^[18]等对结构–土–结构体系中各部分相互作用进行研究，并且对多个相邻结构的相互作用进行了研究，提出了该领域的研究中存在的一些问题，如规模方面缺乏三维模型、研究范围缺少非线性等问题。此外，国外学者Pitilkis等^[19]研究了在地震波作用下，单个和多个临近地表结构对隧道结构的影响。总结出隧道越深时，所受影响越小。

1.3研究内容

本文通过某工程实例，建立地上结构-土体-地下变电站结构、土体-地上结构、土体-地下变电站结构及自由场三维模型，进行模态分析和动力时程分析，通过数值模拟来评价地震作用下土体、地上生产管理用房结构及地下变电站结构之间的相互影响。本文主要从以下几方面进行研究：

1)结构超限判别，根据相关规范和条文对某地下变电站工程实例进行超限结构判别，分别计算规范中各项指标是否符合要求，以综合判断结构是否超限

2)构建地下变电站结构-土体-地上结构、土体-地上结构、土体-地下变电站结构及自由场三维模型，施加不同方向和类型的地震波，进行数值模拟计算，对比分析结构及土体在不同工况下的地震响应，以分析以下影响：

地震波作用下地表结构对场地土的影响，以及不同地震波类型所产生的不同影响效果；

地震波作用下地下结构对场地土的影响，以及作用不同地震波类型时的不同影响效果；

地震波作用下地表结构对地下变电站结构的影响，以及作用不同类型地震波时结构不同部位的影响效果。

地震波作用下地下变电站结构对地表结构的影响，并且对比分析不同地震波类型和不同地震波输入方向时，地表结构分别产生的不同响应效果，以及地表结构各塔的响应差别。

第二章 工程概况

2.1工程结构概况

2.1.1项目概况

该工程采用地下变电站与上部生产管理用房相结合的建造形式，其中地下变电站结构共三层，各层层高不同，埋深24m,边长为120m×56 m，采用框剪结构形式。地表生产管理用房为多塔形式的框架结构房屋，共三栋，每栋六层，每栋各层层高相同，总高约24 m。地下变电站结构和地上生产管理用房采用厚板转换的形式过渡，厚板转换层置于地下标高-2.1m处，结构剖面图及三维模型见图2.1和图2.2。

图2.1 工程剖面图 图2.2 三维模型

2.1.2结构特点

该工程地表结构为三栋六层的多塔框架结构，下部为三层框架剪力墙结构变电站，由于柱网差异较大，所以需要采用转换层的形式进行过渡，本工程转换层采用厚板转换层。之所以选择厚板转换在于以下几点：

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