Studie zur seismischen Vulnerabilitätsanalyse des Interaktionssystems zwischen gesättigtem Weichboden und U-Bahn-Stationsstrukturen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7410 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wurde die seismische Anfälligkeit des Interaktionssystems aus gesättigtem weichem Boden und U-Bahn-Stationsstrukturen untersucht. Die gekoppelten nichtlinearen numerischen Modelle des Wechselwirkungssystems wurden unter Verwendung der u-p-Formulierung der Biot-Theorie zur Beschreibung der gesättigten Zweiphasenmedien erstellt. Ein verfeinertes Finite-Elemente-Modell des Interaktionssystems wurde entwickelt, um seine nichtlinearen seismischen Reaktionen und seismischen Gefahrenmechanismen zu untersuchen. In dieser Studie wurde das elastoplastische Materialmodell mit mehreren Ausbeuten für den Boden übernommen, während für die Struktur ein elastoplastisches Materialmodell mit Faserabschnitten verwendet wurde. Die seismische Reaktion der Struktur wurde durch Eingabe der künstlichen seismischen Welle berechnet, die aus der Methode der Leistungsspektrum-Dreiecksreihen erhalten wurde. Als struktureller Leistungsparameter für die U-Bahn-Stationsstruktur wurde der maximale Driftwinkel zwischen den Stockwerken herangezogen. Die strukturelle Nachfragewolke wurde unter zufälligen Bodenbewegungssequenzen erhalten. Basierend auf der Analysemethode des probabilistischen seismischen Bedarfsmodells wurde die seismische Anfälligkeitskurve der U-Bahn-Stationsstruktur aufgezeichnet und die seismische Anfälligkeitskurve anhand der Anfälligkeit der Leistungsparameter analysiert. Mit zunehmender Bodenfestigkeit verringerte sich entsprechend der Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Stationsstruktur bei unterschiedlichen Spitzenbeschleunigungen der Bodenbewegung. Basierend auf der oben genannten Schwachstellentheorie und den oben genannten Analysemethoden kann aus der oben genannten Schwachstellentheorie und den oben genannten Analysemethoden festgestellt werden, dass die U-Bahn-Stationsstruktur mit etablierter Versenkungstiefe in einem gesättigten, weichen Bodenstandort ein gewisses Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit aufweist und den seismischen Anforderungen standhalten kann Befestigungsziel „kein Schaden bei kleinen Erdbeben, reparierbar bei mittleren Erdbeben und kein Einsturz bei großen Erdbeben“. Die Ergebnisse der Vulnerabilitätsanalyse stimmen mit der tatsächlichen seismischen Untersuchung überein, und die in diesem Dokument vorgeschlagene Vulnerabilitätsanalysemethode kann auf die Vulnerabilitätsanalyse von unterirdischen Strukturen auf gesättigten, weichen Bodenfundamenten angewendet werden.

Die seismische Beurteilung von unterirdischen Bauwerken ist eine der herausfordernden Aufgaben bei der Ingenieurplanung. Dies liegt daran, dass es in der Regel zahlreiche Unsicherheitsquellen in den Gesteinen und den wahrscheinlichen Erdbebeneigenschaften gibt. Es handelt sich daher um ein neues Thema bei der Bewertung der dynamischen Zuverlässigkeit erdbebengeschädigter Bauwerke1. Die seismische Vulnerabilitätsanalyse wurde erstmals in den 1970er Jahren bei seismischen Leistungsstudien von Kernkraftwerken angewendet. Mit der kontinuierlichen Verfeinerung und Weiterentwicklung der leistungsbasierten probabilistischen seismischen Vulnerabilitätsanalysemethode wurde sie nach und nach auch auf seismische Studien anderer Infrastrukturen angewendet. Als Methode zur Bewertung der seismischen Leistung von Bauwerken kann die seismische Vulnerabilitätsanalyse den erwarteten Schaden von Bauwerken oder potenzielle seismische Gefahren bestimmen und die seismische Leistung von Bauwerken quantitativ bewerten, d. h. das Erreichen vorgegebener seismischer Leistungsziele von Bauwerken quantitativ beschreiben verschiedene seismische Sicherungsniveaus. Es ist von großer Bedeutung, die seismische Anfälligkeit zu analysieren, ihre Schadenswahrscheinlichkeit auf allen Ebenen bei unterschiedlichen Erdbebenstärken vorherzusagen, dann ihre seismische Leistung zu bewerten und seismische Reduzierungs- und Isolationsmaßnahmen für die seismische Auslegung unterirdischer Bauwerke vorzuschlagen. Obwohl der leistungsbasierte seismische Entwurf in den aktuellen Code für den seismischen Entwurf unterirdischer Bauwerke in U-Bahnen aufgenommen wurde, ist sein Entwurfs- und Bewertungsprozess noch unterentwickelt und erfordert weitere Forschung2.

Derzeit besteht die seismische Vulnerabilitätsanalyse hauptsächlich aus empirischen Methoden und theoretischen Analysemethoden. Aufgrund der Einschränkung der Bedingungen ist die empirische Anfälligkeitskurve nur auf Situationen anwendbar, die der Datenquelle ähneln. Die seismische Reaktion unterirdischer Bauwerke variiert je nach seismischen Umgebungen und Standortbedingungen, sodass die empirischen Vulnerabilitätskurven schwer zu verallgemeinern sind. Die theoretische Analysemethode ist eine Mehrfachberechnung der seismischen Reaktion unterirdischer Bauwerke, die schließlich durch Regression synthetisiert wird. Zu den häufig verwendeten Berechnungsmethoden gehören die Antwortspektrummethode, die nichtlineare statische Analysemethode und die nichtlineare Zeitverlaufsanalysemethode.

Viele Wissenschaftler haben Forschungen durchgeführt, um die seismische Anfälligkeit von Bauwerken zu untersuchen. Torbol et al.3 untersuchten die Auswirkung des Einfallswinkels seismischer Wellen auf die seismische Anfälligkeitskurve der Brückenstruktur. Le et al.4 schlugen eine einfache und umfassende numerische Analysemethode vor, die auf der Methode der quasistatischen Analyse und der Methode der Maximum-Likelihood-Schätzung basiert und den SSI-Effekt berücksichtigt, um die seismische Anfälligkeit unterirdischer Tunnel zu analysieren. Er et al.5 definierten und quantifizierten fünf Grenzversagenszustände von Pfeilern und Lagern isolierter und nicht isolierter Brücken auf der Grundlage der Berücksichtigung der Zufälligkeit der Brückenstruktur und der Bodenbewegungsparameter und verwendeten ein probabilistisches Bedarfsanalysemodell zur Analyse der seismischen Anfälligkeit von seismisch isolierten und nicht seismisch isolierten durchgehenden Trägerbrücken unter Verwendung des Verschiebungs-Duktilitätsverhältnisses von Pfeilern und Säulen bzw. des relativen Verschiebungsverhältnisses von Lagern als Ausfallindikatoren. Tecchio et al.6 schlugen eine Methode zur seismischen Anfälligkeitsanalyse von einfeldrigen gemauerten Bogenbrücken vor, die auf der Grenzanalysemethode basiert. Liu et al.7 berechneten den Verschiebungswinkel zwischen den Stockwerken und die Zugschadensverteilung der unterirdischen Rahmenstruktur auf der Grundlage der dynamischen inkrementellen Analysemethode, definierten die Grenzzustände durch strukturelle Verformung und Wasserdichtigkeit und analysierten die seismische Anfälligkeit der Dakai-Station in Japan. Argyroudis et al.8 schlugen eine numerische Analysemethode für seismische Anfälligkeit vor, die für flache unterirdische U-Bahn-Tunnelstrukturen geeignet ist und die Bodenstrukturinteraktion (SSI) und Alterungseffekte aufgrund von Korrosion der Auskleidungsbewehrung berücksichtigt. Liu et al.9 verwendeten die Effizienzkoeffizientenmethode, um den strukturellen Schaden des Staudamms umfassend mit Verschiebung, Spannung und Schadensfläche als Indikatoren zu bewerten, und wandten das Modell mit variablem Gewicht an, um den Einfluss des Indexwerts auf das Indexgewicht zu berücksichtigen. Durch Berechnung wurde der umfassende Schadensindex des Staudamms ermittelt. Gemäß der Klassifizierung der seismischen Schadensgrade von Staudämmen wurde die IDA-Methode durch die Verwendung der Methode mit variablen inkrementellen Schritten verbessert und der strukturelle Reaktionsprozess des Staudamms vom elastischen Zustand bis zum vollständigen Schaden bei Erdbeben unterschiedlicher Intensität berechnet und analysiert. Avanaki et al.10 untersuchten mithilfe analytischer Fragilitätskurven die Auswirkungen verschiedener Verbundwerkstoffe aus Stahl-FRC (SFRC) als Auskleidungsmaterial des Tunnels auf dessen seismische Anfälligkeit im Vergleich zueinander und mit denen von unbewehrtem und konventionell verstärktem Beton. Yigit et al.11 untersuchten ein Gebiet in Istanbul, das anfällig für erdbebenbedingte Erdrutsche ist, um das Verhalten eines Erdgaspipelinenetzes zu demonstrieren. Es liegt in der Nähe der Nordanatolischen Verwerfungszone (NAFZ), wo in den nächsten Jahren in Istanbul Erdbeben der Stärke etwa 7,5 erwartet werden. Für diese untersuchte Region wurde die seismische Anfälligkeit von Erdgaspipelines, die einer dauerhaften Bodenverformung und der Ausbreitung seismischer Wellen ausgesetzt sind, untersucht und Risiken hervorgehoben. Mithilfe der elastischen Balkentheorie wurde eine neue Näherung zur Berechnung von Erdbeben entwickelt. Moayedifar et al.12 nutzten die inkrementelle dynamische Analyse (IDA) mit 15 realen Erdbebenaufzeichnungen, um die seismische Reaktion eines Tunnels im Südwesten des Iran mithilfe verschiedener Analysemethoden zu bewerten. Basierend auf einer realen unterirdischen Struktur namens Daikai-U-Bahn-Station in Japan führten Xu et al.13 eine erweiterte parametrische Studie durch. Insbesondere wurde in dieser Studie ein zweidimensionales Bodenstruktursystem für die dynamische Zeitverlaufsanalyse eingesetzt. Ein äquivalentes lineares Modell wurde übernommen, um das nichtlineare Verhalten der Bodenelemente zu berücksichtigen, und ein elastisches Modell wurde zur Simulation der Strukturelemente verwendet. Huang et al.2,14 führten eine Vulnerabilitätsbewertung kreisförmiger Tunnel in weichen Bodenablagerungen im U-Bahn-System der Metropolregion Shanghai durch und berücksichtigten dabei die Auswirkungen der Boden-Struktur-Wechselwirkung, der lokalen Bodenbedingungen und der Tunnelvergrabungstiefe.

Wie leicht zu erkennen ist, weisen die vorhandenen strukturellen seismischen Anfälligkeitsanalysen und Ergebnisse die folgenden Merkmale auf: (1) Die seismische Anfälligkeitsanalyse wird hauptsächlich auf oberirdische Bauwerke wie Brückenkonstruktionen, Gebäudekonstruktionen und Wasserbauwerke angewendet, und es gibt nur wenige Berichte zu städtischen unterirdischen Raumstrukturen; (2) Aufgrund des Mangels an seismischen Schadensdaten von unterirdischen Bauwerken haben Wissenschaftler im In- und Ausland weniger Studien zur seismischen Anfälligkeit von unterirdischen Bauwerken durchgeführt, sondern sie haben seismische Anfälligkeitskurven hauptsächlich durch numerische Simulationen von Anfälligkeitskurven erhalten. Obwohl die Forschung zur seismischen Anfälligkeit fruchtbare Ergebnisse erzielt hat, gibt es auf dem Gebiet des Ingenieurwesens noch einige Einschränkungen, zum Beispiel: (1) In Bezug auf den Ausdruck der seismischen Anfälligkeit werden seismische Anfälligkeitskurven (Funktionen) von Bauwerken ausgedrückt Form der Grenzzustandswahrscheinlichkeit, die von Ingenieuren nicht leicht akzeptiert werden kann; (2) Im Hinblick auf die mehrstufige seismische Anfälligkeit einer Struktur wird die seismische Anfälligkeitskurve (Funktion) der Struktur normalerweise als Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Struktur bei mehreren Leistungsniveaus ausgedrückt. Obwohl dieser Ausdruck den leistungsbasierten seismischen Anforderungen entspricht, bevorzugen Ingenieure aus Sicht der Strukturschadensbewertung die Verwendung eines einzigen Ausdrucks zur Bewertung des Schadensgrads einer Struktur und nicht der Schadenswahrscheinlichkeit für mehrere Fehlerzustände.

Vor diesem Hintergrund erstellt dieser Artikel ein vollständig gekoppeltes numerisches Lösungsmodell zur effektiven Spannungsverfeinerung für das nichtlineare System einer unterirdischen Stationsstruktur in einem gesättigten weichen Bodenstandort, basierend auf bestehenden Methoden der strukturellen seismischen Vulnerabilitätsanalyse unter Verwendung der unterirdischen Stationsstruktur in einem gesättigten Weichbodenstandort als Forschungskontext. Und die seismische dynamische Reaktion der vergrabenen Struktur wird durch Eingabe der zufälligen Bodenbewegung in das etablierte numerische Modell ermittelt. Der maximale Versatzwinkel zwischen den Stockwerken wurde als Leistungsparameter der U-Bahn-Stationsstruktur verwendet und die Wolkendiagrammbeziehung zwischen den Leistungsparametern der unterirdischen Struktur und der Spitzenbeschleunigung der Bodenbewegung (PGA) wurde ermittelt. Gemäß der Methode der probabilistischen seismischen Bedarfsanalyse wurde die seismische Anfälligkeitskurve der U-Bahn-Stationsstruktur aufgezeichnet und eine auf Leistungsparametern basierende Anfälligkeitsanalyse durchgeführt.

In dieser Arbeit wird in den folgenden Schritten eine spezifische Analyse der seismischen Anfälligkeit eines unterirdischen Bahnhofsbauwerks auf einem gesättigten weichen Bodenstandort durchgeführt.

Entsprechend den Standortbedingungen des unterirdischen Gebäudes wurden 20 Zeitverläufe der Bodenbewegungsbeschleunigung mit den gleichen dynamischen Eigenschaften, die für Standorte mit weichem Boden geeignet sind, durch Simulation künstlicher seismischer Wellen unter Verwendung der dreieckigen Stufenmethode des Leistungsspektrums synthetisiert.

Basierend auf den Ergebnissen der nichtlinearen dynamischen inkrementellen Zeitverlaufsanalyse (IDA, inkrementelle dynamische Analyse) wurde der maximale Verschiebungswinkel zwischen den Stockwerken als Schadensbewertungsindex für die Leistungsparameter der unterirdischen Struktur verwendet und die Analyse der seismischen Anfälligkeit wurde auf der Grundlage des Kapazitätsbedarfs durchgeführt Modell.

Durch die Regressionsanalyse (Methode der kleinsten Quadrate) der Reaktionsdaten bei verschiedenen Bodenbewegungen wurde die Wolkendiagrammbeziehung zwischen den Leistungsparametern unterirdischer Strukturen und der Spitzenbodenbeschleunigung ermittelt und die Ergebnisfunktion für die Reaktion auf die strukturelle Nachfrage ermittelt.

Basierend auf dem Prinzip der Vulnerabilitätskurvenberechnung wurden die Vulnerabilitätskurven unterirdischer Bauwerke bei unterschiedlichen Bodenbewegungen berechnet und die Eintrittswahrscheinlichkeit von Strukturversagenszuständen unter der Einwirkung von Erdbeben unterschiedlicher Gefährdungsstufen verglichen und analysiert.

Zur Bewertung der seismischen Schäden an unterirdischen Bauwerken wurde das Konzept des „Vulnerabilitätsindex“ eingeführt. Die mehrstufige Verwundbarkeitskurve basierend auf dem Wahrscheinlichkeitsausdruck wurde in eine nicht-probabilistische Einzelparameterbeschreibung basierend auf dem Verwundbarkeitsindex umgewandelt.

Der Berechnungsablauf der seismischen Anfälligkeit unterirdischer Bauwerke ist in Abb. 1 dargestellt.

Das Flussdiagramm zur Berechnung der seismischen Anfälligkeit unterirdischer Strukturen.

Das Zahlenbeispiel basiert auf der typischen einstöckigen U-Bahn-Station mit zwei Spannweiten15, wie in Abb. 2 dargestellt, wobei die Tiefe der U-Bahn-Stationsstruktur 5 m beträgt und die Querschnittsgröße 17 m (Breite) und 7,17 m beträgt (Höhe) und 3,5 m (Mittelsäulenabstand). Abbildung 2 zeigt das Finite-Elemente-Modellnetz des dynamischen Interaktionssystems der festgelegten U-Bahn-Stationsstruktur in einer weichen Bodenzwischenschicht mit einer Größe von 170 m × 30 m. Der Standortboden wird durch die quadUP Boden- und Wasserkopplungseinheit simuliert. Die Berechnungsparameter der Bodenschicht werden mit den experimentellen Werten kombiniert und beziehen sich auf die empfohlenen Werte der OpenSEES-Tonbestandteile.

Finite-Elemente-Modell zur numerischen Berechnung von Strukturen unter etablierten Bedingungen in der Erdtiefe.

In diesem Artikel lautet die numerische Formel der gesättigten Zweiphasen-Mediummatrix16.

Dabei ist \(M\) die Gesamtmassenmatrix, \(u\) der Verschiebungsvektor, \(B\) die Dehnungs-Verschiebungsmatrix, \(B \equiv LN^{u}\), die damit zusammenhängt zum Dehnungs- und Verschiebungsinkrement \(d\varepsilon = Bd\overline{u}\); \(\sigma^{\prime}\) ist der effektive Spannungstensor, \(Q\) ist der diskrete Gradientenoperator für die Boden-Wasser-Kopplung; \(p\) ist der Porendruckvektor; \(S\) ist die Kompressionskoeffizientenmatrix; \(H\) ist die Permeabilitätskoeffizientenmatrix. Die Vektoren \(f^{{\text{u}}}\) und \(f^{{\text{p}}}\) geben jeweils die gegebenen Randbedingungen der Volumenkraft im Boden-Wasser-Gemisch an und die Flüssigphase.

Für Ton wird die plastische Stoffgleichung mit mehreren Ausbeuten verwendet, und für das Modell mit mehreren Ausbeuten von Ton lautet die Formel für die Ausbeuteoberfläche

Dabei ist \(\tau\) der Partialspannungstensor, m die Nummer der m-ten Fließfläche, m ∈ (1, 2, …, n), n die Gesamtmenge der Fließfläche. Die Parameter \(\alpha^{\left( m \right)}\) und \(K\) geben jeweils den Mittelpunkt und den Radius der m-ten Fließfläche an, \(K^{\left( m \right)}\ ) ist gleich \(\sqrt {{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0pt} 2}}\) mal dem Radius der Fließfläche. Das Doppelpunktprodukt des Tensors \(A\) und \(B\) ist \(A:B = A_{ij} :B_{ij}\).

Die plastische Konstitution der Ton-Multi-Yield-Oberfläche folgt dem Gesetz der teilweisen kinematischen Verfestigung, und der Bewegungsrichtungstensor der Yield-Oberfläche ist definiert als

wobei \(s_{{\text{T}}}\) der deviatorische Spannungstensor zweiter Ordnung ist, der den deviatorischen Spannungstensor des Schnittpunkts der Fließfläche fm + 1 und fm darstellt; \(\alpha_{m}\) und \(\left( {p^{\prime} + p^{\prime}_{0} } \right)\alpha_{m + 1}\) sind der Mittelpunkt von Fließfläche fm bzw. fm + 1.

Die geplante Festigkeit des Betons bei festgelegter Einbettungstiefe beträgt C40 und die Dichte beträgt 2500 kg/m3. Die Einführung der Faserabschnittseinheit der unterirdischen Struktur berücksichtigt deren nichtlineare dynamische Leistung. Das schematische Diagramm des Faserabschnitts ist in Abb. 3 dargestellt. Insbesondere wird im Strukturbeton das Materialmodell Concrete02 (modifiziertes Kent-Park-Betonmodell) verwendet, und die Spannungs-Dehnungs-Beziehung ist in Abb. 4a dargestellt. Der Stahlstab verwendet das bilineare Materialmodell Steel02 mit dynamischer isotroper Härtung. Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung ist in Abb. 4b dargestellt, in der der Elastizitätsmodul des Stahlstabs 200 GPa und die Streckgrenze 400 MPa beträgt.

Schematische Darstellung des Faserquerschnitts.

Das konstitutive Modell des Stahlbetons.

In dieser Arbeit beziehen sich die Berechnungen auf drei verschiedene Standorttypen (Standort mit weichem Boden, Standort mit mittlerem Weichboden und Standort mit hartem Boden). Die Werte der berechneten Parameter für die Bodenzusammensetzung sind in Tabelle 1 dargestellt.

Der Eintrag von Bodenbewegungen hat einen direkten Einfluss auf die seismische Leistung unterirdischer Bauwerke. Für die seismische Vulnerabilitätsanalyse von unterirdischen Bauwerken ist es wichtig, Bodenbewegungen auszuwählen, die den Eigenschaften des Standorts entsprechen. Typischerweise werden in Berechnungen zwei Arten von Bodenbewegungen verwendet: Die eine ist die Auswahl geeigneter Bodenbewegungen aus der Datenbank und die andere sind synthetische Bodenbewegungen. Aufgrund der begrenzten Anzahl tatsächlicher Bodenbewegungsproben ist die Anzahl natürlicher seismischer Wellen, die den tatsächlichen Bedingungen des technischen Standorts entsprechen, relativ gering und kann die Anforderungen des tatsächlichen Entwurfs und der Analyse kaum erfüllen. Daher ist die Verwendung synthetischer Bodenbewegungen eine gängige Methode bei der Schwachstellenanalyse. Auf diese Weise müssen für die strukturdynamische Zeitverlaufsanalyse auf Basis der Standortbedingungen, der seismischen Intensität und weiterer Informationen künstliche seismische Wellen erzeugt werden, die den entsprechenden Anforderungen genügen.

Je nach Typ des technischen Standorts wird das Entwurfsreaktionsspektrum im Code für die seismische Bemessung von Gebäuden (GB 5011-2010) als Zielspektrum angewendet und basierend auf der trigonometrischen Reihenmethode des Leistungsspektrums 20 künstliche seismische Wellen, die für weiche Böden geeignet sind Der Standort wurde aus den Anfangsbedingungen wie der charakteristischen Periode, dem Maximalwert des horizontalen seismischen Welleneinflusskoeffizienten und der seismischen Wellenamplitude generiert, um seismische Wellenquellen für die Methode der dynamischen Zeitverlaufsanalyse der unterirdischen Struktur bereitzustellen. Das Antwortspektrum des Standarddesigns hatte eine Eigenperiode von 0,55 s, einen Plattformverstärkungsfaktor von 2,25 und einen Gesamtskalierungsfaktor von 1,0. Das Ziel-Antwortspektrum wurde gemäß der Spezifikation für die Erzeugung künstlicher Wellen bestimmt, gefolgt von einer Anpassung des Antwortspektrums und einer Grundlinienkorrektur17. Der Fehler zwischen der künstlich erzeugten Reaktionsspektrumskurve der seismischen Wellenbeschleunigung und der entworfenen Reaktionsspektrumskurve der seismischen Wellenbeschleunigung betrug weniger als 5 %. Wie in Abb. 5 gezeigt, wurden das Zielspektrum der Bodenbewegungsbeschleunigung und das Reaktionsspektrum künstlicher synthetischer Wellen eingegeben. Die Unsicherheit der Bodenbewegung spiegelte sich in der Diskretion der Änderungen für verschiedene Zeitverlaufskurven der Bodenbewegung wider. Wie aus der Abbildung hervorgeht, waren die Bodenbewegungsbeschleunigungen von 20 Balken recht unterschiedlich und diskret, aber die vorherrschenden Perioden waren im Grunde die gleichen. Die Spitzenbeschleunigung (PGA) der erzeugten künstlichen seismischen Welle wurde proportional moduliert. Tabelle 2 listet die entsprechende Beziehung zwischen der Intensität der seismischen Befestigung und der grundlegenden Erdbebenbeschleunigung auf. Für die Analyse wurden sechs Spitzenbeschleunigungen der Bodenbewegung von 0,05 g, 0,10 g, 0,15 g, 0,20 g, 0,30 g und 0,40 g im Bereich von 0,1 bis 1,0 g ausgewählt.

Die Antwortspektren der eingegebenen Bodenbewegungsbeschleunigung.

Das Prinzip der Erzeugung künstlicher seismischer Wellen durch die trigonometrische Reihenmethode des Leistungsspektrums ist wie folgt:

Die instationäre seismische Beschleunigung wird als Produkt eines stationären stochastischen Prozesses und einer Hüllkurvenfunktion betrachtet, die instationäre Eigenschaften berücksichtigt:

wobei a(t) der Zeitverlauf der seismischen Beschleunigung ist, f(t) die Hüllkurvenfunktion bezeichnet und as(t) einen Gaußschen stationären Zufallsprozess mit einem Mittelwert von Null und einer (einseitigen) spektralen Leistungsdichtefunktion darstellt. Der Funktionsausdruck von f(t) kann wie folgt gesehen werden:

Dabei sind t1, t2, t3 und T die Start- und Endzeiten der Stabilisierungsperiode der seismischen Welle, die Endzeit der Dämpfungsperiode bzw. die Gesamtdauer der seismischen Welle und c bezeichnet die Konstante, die die Abklingrate steuert.

Für den Gaußschen stochastischen Zufallsprozess, der durch as(t) dargestellt wird, wird das Dreiecksreihen-Kosinusfunktionsmodell zur Synthese übernommen und der spezifische Ausdruck lautet:

wobei φk der Phasenwinkel ist, der zufällig und gleichmäßig in (0, 2π) verteilt ist, ωk und Ck die Frequenz bzw. Amplitude der k-ten Spektralkomponente darstellen und ωk und Ck gemäß der gegebenen spektralen Leistungsdichtefunktion bestimmt werden.

wobei S(ωk) eine gegebene spektrale Leistungsdichtefunktion ist.

Die Beziehung zwischen dem Standardbeschleunigungsreaktionsspektrum und der spektralen Leistungsdichtefunktion ist unten angegeben:

wobei \(S_{a}^{T} \left( \omega \right)\) das gegebene Zielbeschleunigungs-Reaktionsspektrum darstellt, ξ das gegebene Dämpfungsverhältnis bezeichnet und P die transzendente Antwortwahrscheinlichkeit ist, P ≤ 15 %.

Gemäß dem Code für die seismische Bemessung von Gebäuden (GB 5011-2010) wird der Schadenszustand des Bauwerks in drei Befestigungsstufen unterteilt: „Kein Schaden bei kleinen Erdbeben, reparierbar bei mittleren Erdbeben und kein Einsturz bei großen Erdbeben“. Gemäß dem Code for seismic design of urban Rail Transit Structures (GB 50909-2014) sind die seismischen Leistungsanforderungen von städtischen Schienenverkehrsstrukturen ebenfalls in drei Ebenen unterteilt. Bei der Analyse der seismischen Anfälligkeit von unterirdischen Bauwerken kann die Definition des strukturellen Schadenszustands großen Einfluss auf die Form der Anfälligkeitskurve haben. Um unterschiedliche Leistungsniveaus von Bauwerken in der praktischen Ingenieurplanung widerzuspiegeln, ist eine quantitative Beschreibung der Leistungsniveaus erforderlich, die mit dem Schadenszustand der Bauwerke in Zusammenhang stehen. Der Versagenszustand des Bauwerks kann unter anderem anhand seiner seismischen Reaktionsparameter oder Schadensindizes bestimmt werden. Daher können diese Parameter verwendet werden, um unterschiedliche Niveaus der strukturellen Leistung quantitativ zu beschreiben. Frühere Studien haben gezeigt, dass das seismische Leistungsniveau der Rahmenstruktur weitgehend von der strukturellen Verformung abhängt (z. B. dem Verschiebungswinkel zwischen den Stockwerken, der Scheitelpunktverschiebung, dem plastischen Scharnierwinkel, dem Verschiebungsduktilitätskoeffizienten und anderen strukturellen Reaktionsparametern), d. h. der strukturellen Verformung seine Gesamtleistung widerspiegeln18. Unter den strukturellen Verformungsparametern wurde in diesem Artikel der Bodenverschiebungswinkel ausgewählt, da seine Berechnungsmethode für den Bodenverschiebungswinkel relativ einfach ist und mit dem Leistungsindex in den aktuellen Konstruktionsvorschriften in China übereinstimmt.

Das numerische Beispiel übernahm das Leistungsniveau und den quantitativen Index der unterirdischen U-Bahn-Struktur. Der quantitative Index basierte hauptsächlich auf den Ergebnissen numerischer Simulationsanalysen typischer unterirdischer Strukturen. In der Zwischenzeit wurden die Grenzwerte der Versatzwinkel zwischen den Stockwerken, die den vier Leistungsniveaus der rechteckigen unterirdischen U-Bahn-Struktur entsprechen, unter Bezugnahme auf die Teststatistiken und die Forschungsanforderungen der aktuellen Vorschriften analysiert. Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurde das seismische Leistungsniveau von unterirdischen U-Bahn-Strukturen unterteilt, und die entsprechenden quantitativen Indizes für jeden strukturellen Leistungszustand sind in Abb. 6 zu sehen.

Strukturelle Leistungskurve.

Der Zweck des probabilistischen seismischen Nachfragemodells besteht darin, durch Regressionsanalyse eine probabilistische Beziehung zwischen struktureller Nachfrage und seismischer Spitzenbeschleunigung herzustellen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein unterirdisches Bauwerk einen bestimmten Grenzversagenszustand (im Wesentlichen intakt, leicht beschädigt, mäßig beschädigt und schwer beschädigt) erreicht oder überschreitet, ist wie folgt:

Dabei ist P(LS) die Wahrscheinlichkeit, dass die Struktur unter der Einwirkung der Bodenbewegung einen bestimmten Grenzzustand erreicht und überschreitet, IM bezieht sich auf das Intensitätsmaß wie PGA, Sa(T1, 5 %), C ist die seismische Kapazität von die Struktur, und D bezeichnet die seismische Bedarfskapazität, also den strukturellen Bedarf bei verschiedenen Erdbebenstärken.

Vorausgesetzt, dass der strukturelle seismische Bedarf D einer logarithmischen Normalverteilung folgt, ist die Beziehung zwischen dem mittleren strukturellen seismischen Bedarf \(\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{D}\ ) und die maximale Bodenbeschleunigung PGA gehorchen einer exponentiellen Beziehung wie folgt:

Logarithmus von Gl. (11)

Dabei sind a und b die exponentiellen Beziehungsparameter, die durch Anpassen der Daten nach inkrementeller dynamischer Analyse erhalten werden können. Wenn die logarithmische Form des strukturellen seismischen Bedarfs \(\ln D\) die Normalverteilung erfüllt, sind der logarithmische Median \(\lambda_{d}\) und die logarithmische Standardabweichung \(\beta_{d}\) der Parameter des strukturellen seismischen Bedarfs zu diesem Zeitpunkt sind jeweils wie folgt

Dabei ist N die Anzahl der Bodenbewegungen für die nichtlineare Zeitverlaufsanalyse und di der i-te Spitzenbedarf an Bodenbewegungen.

Die Wahrscheinlichkeit eines Strukturversagens bei Erdbeben kann wie folgt umgeschrieben werden:

oder

Bei der Untersuchung der seismischen Anfälligkeit gehorchen die Strukturkapazitätsfunktion und die seismische Nachfragefunktion jedoch der Lognormalverteilung, insbesondere der Reihenfolge Z = lnC − lnD, dann \(\lambda_{z} = \lambda_{c} - \lambda_{d} \), \(\beta_{z} = \sqrt {\beta_{c}^{2} + \beta_{d}^{2} }\), wobei \(\lambda_{c}\) das ist logarithmischer Median der strukturellen seismischen Kapazität, und \(\beta_{c}\) stellt die logarithmische Standardabweichung der strukturellen seismischen Kapazität dar.

Daher kann die Ausfallwahrscheinlichkeit der Struktur bei Erdbeben wie folgt ausgedrückt werden:

Konvertieren Sie Gl. (17) zur Standardnormalverteilung, Reihenfolge \({\text{d}}Z = \beta_{z} {\text{d}}t\), \(Z = \lambda_{z} + t\beta_{ z} < 0\), dann ist \(t < \frac{{\lambda_{z} }}{{\beta_{z} }}\).

Schwachstellenmodell Gl. (17) kann umgeschrieben werden als

Dabei ist \(\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{C}\) die strukturelle Tragfähigkeit, die einem bestimmten Grenzversagenszustand entspricht, wobei im Allgemeinen der Median des Versagensindex verwendet wird .

Ersetzen Sie Gl. (12) in Gl. (18)

Wenn PGA als Bodenbewegungsparameter verwendet wird, wird \(\sqrt {\beta_{c}^{2} + \beta_{d}^{2} }\) als 0,5 angenommen; Wenn Sa als Bodenbewegungsparameter verwendet wird, wird \(\sqrt {\beta_{c}^{2} + \beta_{d}^{2} }\) als 0,3 angenommen.

Nach Gl. (19) kann die transzendentale Wahrscheinlichkeit jedes Grenzversagenszustands der unterirdischen Struktur ermittelt werden, und dann kann die Versagenswahrscheinlichkeit P(DS) jedes Zustands der Struktur bei Erdbeben unterschiedlicher Intensität gemäß der seismischen Anfälligkeitskurve bewertet werden um die seismische Auslegung der Struktur weiter zu steuern.

Die Eintrittswahrscheinlichkeit P(DS) eines strukturellen Versagenszustands wird als Differenz der transzendentalen Wahrscheinlichkeiten benachbarter Zustände ausgedrückt:

wobei N die Anzahl der ultimativen Fehlerzustände ist. Entsprechend der Beziehung zwischen Grenzzustand und Versagenszustand wird die unterirdische Struktur unter N-Grenzzustand in N + 1 Versagenszustand unterteilt. In dieser Arbeit wurden die vier Grenzzustände „im Wesentlichen intakt“, „leichter Schaden“, „mittlerer Schaden“ und „schwerer Schaden“ angenommen. Diese klassifizieren die Struktur in fünf Fehlerzustände: grundsätzlich intakt (DS1), leichte Beschädigung (DS2), mittlere Beschädigung (DS3), schwere Beschädigung (DS4) und vollständige Beschädigung (DS5), wie in Abb. 7 dargestellt.

Schadenszustandswahrscheinlichkeitskurven von unterirdischen Strukturen.

In dieser Arbeit wurden insgesamt 20 synthetische seismische Wellen, 6 seismische Spitzenbeschleunigungsniveaus und 13 Betriebsbedingungen berechnet. Jede Berechnung dauerte etwa 1 Stunde und die gesamte erforderliche Berechnungszeit betrug 1560 Stunden.

Wie in Abb. 8 dargestellt, wurden die Ergebnisse einer logarithmischen Regressionsanalyse zwischen dem maximalen Antwortwert des intergeschossigen Verschiebungswinkels der U-Bahn-Stationsstruktur und der unabhängigen variablen Spitzenbeschleunigung PGA unter verschiedenen Standorttypen erhalten, wobei die Abszisse den Logarithmus der Spitze darstellte Beschleunigung der Bodenbewegung, und die Ordinate stellte den Logarithmus der maximalen Leistungsparameter der unterirdischen U-Bahn-Struktur unter der Einwirkung eines Erdbebens dieser Intensität dar. Durch Anpassen der Parameterregressionsanalyse ln(Δ) und ln(PGA) konnte festgestellt werden, dass die aus der linearen Regression erhaltenen relevanten Parameter eine hohe Korrelation aufwiesen, sodass zur Ermittlung die univariate lineare Regressionsmethode y = a + bx angewendet wurde logarithmische lineare Beziehung zwischen ihnen. Die Strukturfunktion der strukturellen Nachfragereaktion ist in Tabelle 4 aufgeführt. Entsprechend der Anpassungsgüte zeigt die Methode eine gute Anpassungsleistung.

Regressive Analyse des Schadensindex unterirdischer Strukturen in weichem Boden.

Ein MATLAB-Programm wurde unter Verwendung des Prinzips der Vulnerabilitätskurvenberechnung erstellt, um die Vulnerabilitätskurve der U-Bahn-Stationsstruktur unter unterschiedlichen Eingabebeschleunigungen und Spitzenbodenbewegungen unter verschiedenen Standorttypen zu berechnen, wie in Abb. 9 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass mit Anstieg der seismischen Spitzenbeschleunigung, die Steigung der Verwundbarkeitskurve nahm zunächst zu und dann ab, das Leistungsniveau der Struktur entwickelte sich allmählich von grundsätzlich intakt zu schwer beschädigt, die transzendentale Schadenswahrscheinlichkeit auf jeder Strukturebene nahm in unterschiedlichem Maße zu und die strukturelle Verwundbarkeit Die Kurve verlief tendenziell flach, je schwerer die strukturellen Schäden waren. Insbesondere stieg die Wahrscheinlichkeit einer Überschreitung bei weitgehend intakten und leicht beschädigten Fahrzeugen schnell an, während sie bei mäßig beschädigten und schwer beschädigten Fahrzeugen langsam zunahm.

Seismische Verwundbarkeitskurven unterirdischer Strukturen in weichem Boden.

Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass bei einem PGA-Wert von weniger als 0,1 g (bei einer seismischen Intensität von mittelschwerem VII-Erdbeben und darunter) die transzendentale Wahrscheinlichkeit eines grundlegenden intakten Zustands der unterirdischen Struktur weniger als 30 % beträgt und der grundlegende ein intakter seismischer Leistungsstandard gewährleistet werden kann. Im Bereich von 0,1–0,2 g (mit der seismischen Intensität von VII bis VIII) beträgt die transzendentale Wahrscheinlichkeitsgrenze des grundlegenden intakten Zustands der unterirdischen Stationsstruktur 70 %, und der grundlegende intakte seismische Leistungsstandard kann nicht mehr garantiert werden . Wenn PGA 0,3 g erreicht, liegt die transzendentale Wahrscheinlichkeit einer leichten Schädigung der Struktur tendenziell bei 1,0, was bedeutet, dass es grundsätzlich unmöglich ist, dass die Struktur in gutem Zustand bleibt. Im starken Erdbebenbereich von 0,2–0,4 g (mit der seismischen Intensität im Bereich von VIII bis IV) wird die U-Bahn-Stationsstruktur überwiegend leicht beschädigt. Konkret erreichen 70 % der transzendentalen Wahrscheinlichkeit einen Zustand leichter Schädigung und 40 % der transzendentalen Wahrscheinlichkeit erreichen einen Zustand mäßiger Schädigung. Wenn PGA 0,4 g oder mehr beträgt (seismische Intensität liegt über IX), steigt die transzendentale Wahrscheinlichkeit einer ernsthaften Beschädigung der Struktur deutlich an, wobei die Wahrscheinlichkeit einer Überschreitung des Grenzwerts über 50 % beträgt.

Basierend auf den Ergebnissen der Berechnung der Grenzzustandsversagenswahrscheinlichkeit wurde eine vergleichende Analyse der Schadenswahrscheinlichkeitskurven der U-Bahn-Stationsstrukturen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abb. 10 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Versagenszustand vorliegt Die Wahrscheinlichkeitskurve der U-Bahn-Stationsstruktur steigt nicht monoton mit der Zunahme der Spitzenbeschleunigung der Bodenbewegung wie die seismische Anfälligkeitskurve (Grenzzustandswahrscheinlichkeitskurve), sondern es gibt einen fallenden Abschnitt. Dies weist darauf hin, dass sich der Versagenszustand unterirdischer Bauwerke unter der Einwirkung von Bodenbewegungen mit unterschiedlichen Spitzenbeschleunigungen ständig ändert.

Schadenszustandswahrscheinlichkeitskurven der U-Bahn-Stationsstruktur in weichem Boden.

Gemäß dem Code für die seismische Bemessung von Gebäudestrukturen (GB 50011-2010) beträgt die maximale Bodenbeschleunigung, die einem kleinen Erdbeben, einem mittleren Erdbeben und einem großen Erdbeben entspricht, für die U-Bahn-Stationskonstruktion in diesem Beispiel 0,05 g, 0,13 g bzw. 0,28 g . Abbildung 11 zeigt die Ausfallwahrscheinlichkeit der U-Bahn-Stationsstruktur im Ausfallzustand unter verschiedenen Standortbedingungen, wenn die Intensität der Bodenbewegung das Niveau eines leichten Erdbebens, eines mittleren Erdbebens und eines großen Erdbebens erreicht. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass gemäß den dreistufigen Anforderungen des seismischen Entwurfs die Wahrscheinlichkeit, dass sich die U-Bahn-Stationsstruktur in einem im Wesentlichen intakten Fehlerzustand befindet, viel größer ist als die Wahrscheinlichkeit eines anderen Fehlers, wenn die lokale Vibrationsintensität das Niveau eines geringfügigen Erdbebens erreicht Zustände. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Struktur zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen unterhalb der geringfügigen Versagensgrenze kontrolliert wird, was das seismische Befestigungsziel „Kleineres Erdbeben ist nicht schlecht“ erfüllt; Wenn die lokale Vibrationsintensität das mittlere Erdbebenniveau erreicht, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass die U-Bahn-Stationsstruktur grundsätzlich intakt ist, und die Ausfallwahrscheinlichkeit eines geringfügigen Schadenszustands steigt deutlich an. Gleichzeitig steigt die Wahrscheinlichkeit eines Versagens im mittleren Schadenszustand des Bauwerks leicht an. Allerdings war die Summe der Wahrscheinlichkeiten, dass sich das Bauwerk in diesen beiden Zuständen befand, deutlich größer als die Wahrscheinlichkeit eines Versagens in anderen Versagenszuständen und erfüllte damit das seismische Befestigungsziel „Reparierbar bei mittlerem Erdbeben“; Wenn die lokale Vibrationsintensität das Niveau eines großen Erdbebens erreicht, steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit der U-Bahn-Stationsstruktur, die einem mittleren Ausfall, einem schweren Ausfall und einem schweren Ausfall entspricht, erheblich an, was darauf hindeutet, dass sich der Grad der Strukturschäden allmählich vertieft, aber das Gesamtausfallniveau des Die Struktur der U-Bahn-Station erfüllte immer noch das seismische Befestigungsziel, „bei einem großen Erdbeben nicht einzustürzen“. Vergleicht man außerdem die Wahrscheinlichkeit des Versagens von U-Bahn-Stationskonstruktionen in verschiedenen Standortkategorien bei unterschiedlichen Gefährdungsgraden der Bodenbewegung, ist das Ausmaß des Strukturversagens bei Standorten mit weichem Boden deutlich höher als bei Standorten mit mittlerem bis weichem und hartem Boden.

Schadenszustandswahrscheinlichkeiten der Struktur bei Erdbeben mit unterschiedlichen Gefährdungsstufen in verschiedenen Fällen des Standortzustands.

Da die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlerzustands von Ingenieuren nicht ohne weiteres akzeptiert wird, wird der Schadensindex von unterirdischen Bauwerken durch den seismischen Schadensindex definiert, der in Chinas Nachbebenuntersuchungen übernommen wurde. Die Ergebnisse der seismischen Anfälligkeit wurden zur Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit für verschiedene Versagenszustände unterirdischer Bauwerke verwendet, und der mathematische Erwartungswert des seismischen Schadensindex wurde als Vulnerabilitätsindex (VI, Vulnerabilitätsindex) zur Bewertung der seismischen Sicherheit unterirdischer Bauwerke verwendet. Als Erweiterung der herkömmlichen seismischen Vulnerabilitätsanalyse wandelt der seismische Vulnerabilitätsindex die mehrstufige Vulnerabilitätskurve basierend auf dem Wahrscheinlichkeitsausdruck in eine nicht-probabilistische Einzelparameterbeschreibung basierend auf dem Vulnerabilitätsindex um, was für die breite Anwendung der seismischen Vulnerabilitätsanalyse von Vorteil sein wird Strukturen in der Ingenieurpraxis.

Der Schwachstellenindex kann wie folgt definiert werden:

Dabei ist n die Anzahl der Versagenszustände unterirdischer Bauwerke, \(P\left( {DS_{j} |PGA} \right)\) die Eintrittswahrscheinlichkeit, die dem j-ten Versagenszustand unter Einwirkung der Bodenbewegung mit Spitzenbeschleunigung entspricht, und \(DF_{j}\) ist der seismische Schadensindex, der dem Fehlerzustand entspricht, wie in Tabelle 5 aufgeführt.

Der Vulnerabilitätsindex wird als Parameter zwischen 0 und 1 ausgedrückt. Die mathematische Erwartung des seismischen Schadensindex der einzelnen Struktur kann in Kombination mit der Ausfallwahrscheinlichkeit des strukturellen Versagenszustands, der auf der Grundlage der Vulnerabilitätsanalyse ermittelt wurde, berechnet werden, um die Erdbeben quantitativ zu bewerten Beschädigung der Struktur. DFj,L, DFj,U und DFj,M werden jeweils verwendet, um die Untergrenze, die Obergrenze und den Durchschnittswert des Erdbebenschadensindex DFj (wie in Tabelle 5 aufgeführt) darzustellen, die in Gleichung eingesetzt werden. (21) um die Vulnerabilitätsindexkurve der U-Bahn-Stationsstruktur zu erhalten, wie in Abb. 12 dargestellt. In der Abbildung stellen VIL, VIU und VIM die Untergrenze, die Obergrenze bzw. den Durchschnittswert des strukturellen Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Station dar. Das Intervall des Vulnerabilitätsindex, das einer bestimmten Spitzenseismikbeschleunigung PGA entspricht, kann anhand der Schadenskurve berechnet werden, und durch Vergleich mit den empirischen Werten des Schadensindex in Tabelle 5 kann der Grad der Beschädigung der Struktur quantitativ bewertet werden.

Kurven des seismischen Vulnerabilitätsfaktors.

Die oberen und unteren Grenzen und Durchschnittswerte der in Abb. 12 erhaltenen Ausfallwahrscheinlichkeiten und des seismischen Schadensindex in Tabelle 5 wurden in Gleichung eingesetzt. (21) zur Berechnung des Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Stationsstruktur unter verschiedenen Standorttypen und Erdbebenbedingungen, wie in Abb. 13 dargestellt. Um die seismische Leistung der U-Bahn-Stationsstruktur umfassender zu bewerten, wird das Vulnerabilitätsindexintervall zwischen klein und mittel festgelegt und große Erdbeben, die im Code für die seismische Bemessung von Gebäuden (GB 50011-2010) spezifiziert sind, wurden berechnet, wie in Abb. 14 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Stationskonstruktion an Standorten mit weichem Boden bei kleinen Erdbeben nicht mehr als beträgt 20 %, der Vulnerabilitätsindex bei mittleren Erdbeben beträgt nicht mehr als 30 % und der Vulnerabilitätsindex bei großen Erdbeben beträgt nicht mehr als 50 %. Im Vergleich zum empirischen Erdbebenschadensindex in Tabelle 5 ist deutlich zu erkennen, dass der seismische Schaden an der U-Bahn-Stationsstruktur unter der Einwirkung kleiner und mittlerer Erdbeben das leichte Schadensniveau nicht überschritt; Unter der Einwirkung eines großen Erdbebens wurde der seismische Schaden an der Struktur der U-Bahn-Station im Wesentlichen auf dem mittleren Schadensniveau eingedämmt, und es traten keine weiteren schwerwiegenden Schäden auf. Dies zeigt, dass die in dieser Arbeit untersuchte U-Bahn-Stationsstruktur aus Stahlbeton die seismischen Leistungsanforderungen „kein Schaden bei kleinen Erdbeben“, „reparierbar bei mittleren Erdbeben“ und „kein Einsturz bei großen Erdbeben“ der chinesischen seismischen Vorschriften erfüllt. Mit zunehmender Bodenfestigkeit verringerte sich entsprechend der Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Stationsstruktur bei unterschiedlichen Spitzenbeschleunigungen der Bodenbewegung. Dies deutet darauf hin, dass das Auftreten schwerwiegender Schäden an U-Bahn-Stationsbauwerken auf Standorten mit mittlerem bis weichem Boden und auf Standorten mit hartem Boden unter der Einwirkung großer Erdbeben besser kontrolliert werden kann.

Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Stationsstruktur in verschiedenen Fällen des Standortzustands.

Vulnerabilitätsindex abhängig von FE-, DBE- und MCE-Intensitäten für unterirdische Strukturen in verschiedenen Fällen von Standortbedingungen.

In diesem Artikel werden der aktuelle Stand und die Merkmale vorhandener Ergebnisse zur seismischen Anfälligkeit unterirdischer Bauwerke zusammengefasst und die seismische Leistung unterirdischer Bauwerke in gesättigten Weichbodenstandorten als Forschungshintergrund herangezogen. Stochastische Bodenbewegungen werden in das numerische Modell der etablierten vergrabenen Struktur eingefügt, und der maximale Verschiebungswinkel zwischen den Stockwerken wird als Leistungsparameter unterirdischer Strukturen zur Berechnung ihrer seismischen dynamischen Reaktion verwendet. Der Zusammenhang zwischen den strukturellen Leistungsparametern und dem Bodenbewegungsindex der maximalen Bodenbeschleunigung wird hergestellt. Gemäß der Methode der probabilistischen seismischen Bedarfsanalyse wird die Anfälligkeit unterirdischer Bauwerke auf der Grundlage von Leistungsparametern analysiert und die seismische Anfälligkeitskurve erstellt, um die Transzendenzwahrscheinlichkeit der Reaktion des Bauwerks ohne seismische Eingabe zu ermitteln. Als Ergebnis werden die entsprechenden Schadensklassen unterirdischer Bauwerke mit unterschiedlichen Leistungszielen definiert.

Mit zunehmender Spitzenbeschleunigung nimmt die Steigung der Verwundbarkeitskurve zunächst zu und dann ab, und das Leistungsniveau der Struktur entwickelt sich allmählich von grundsätzlich intakt zu stark beschädigt. Mittlerweile steigt die Wahrscheinlichkeit einer Schadensüberschreitung für jede Strukturebene unterschiedlich stark an und die Strukturanfälligkeitskurve beginnt sich mit der Schwere der Strukturschäden abzuflachen.

Die Fehlerzustandswahrscheinlichkeitskurve der U-Bahn-Stationsstruktur steigt nicht monoton mit der Spitzenbeschleunigung der Bodenbewegung an, wie im Fall der seismischen Anfälligkeitskurven.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit der U-Bahn-Stationsstruktur im Ausfallzustand unter verschiedenen Standortbedingungen, wenn die Intensität der Bodenbewegung kleine, mittlere und große Erdbebenniveaus erreicht.

Mit zunehmender Bodenfestigkeit nimmt der Vulnerabilitätsindex der U-Bahn-Stationsstruktur bei unterschiedlichen Spitzenbeschleunigungen der Bodenbewegung entsprechend ab.

Darüber hinaus verfügt die U-Bahn-Stationsstruktur mit festgelegter Versenkungstiefe in einem gesättigten, weichen Bodenstandort über eine gewisse Sicherheit und Zuverlässigkeit und kann das seismische Befestigungsziel „kein Schaden bei kleinen Erdbeben, reparierbar bei mittleren Erdbeben und kein Einsturz bei großen Erdbeben“ erfüllen.

Eine große Anzahl historischer Erdbebendaten zeigt, dass starke Erdbeben oft von einer großen Anzahl von Nachbeben begleitet werden. Nach dem Hauptbeben ist das unterirdische Struktursystem der U-Bahn an der Stelle mit weichem Boden möglicherweise in das nichtlineare Stadium eingetreten und weist eine nachlassende plastische Verformung, eine Verschlechterung der Steifigkeit und einen Rückgang der Tragfähigkeit auf. Zu diesem Zeitpunkt, nach der anschließenden Nachbebensequenz, kann bereits eine geringe Energiefreisetzung zu einem exponentiellen Anstieg des Erdbebenrisikos führen. Daher können die potenziellen Schäden durch Nachbeben mit hoher Wahrscheinlichkeit der Freisetzung von Sekundärenergie nicht ignoriert werden.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde durch die wichtigsten wissenschaftlichen Forschungsprojekte von Hochschulen und Universitäten in der Provinz Henan (22A560021, 23A560014) und durch den Sonderfonds für wissenschaftliche Grundlagenforschung und junge Rückgratlehrer der Technischen Universität Zhongyuan (K2020QN015, 2020XQG14) unterstützt.

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Xuelei Cheng & Xianfeng He

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Xuelei Cheng, Qiqi Li und Ran Hai

Fakultät für Verkehrs- und Transporttechnik, Dalian Maritime University, Dalian, 116026, Liaoning, China

Xuelei Cheng

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XC und QL schrieben den Hauptmanuskripttext und RH und XH führten numerische Simulationsberechnungen und die gesamte Bildverarbeitung durch. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Xuelei Cheng.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cheng, X., Li, Q., Hai, R. et al. Studie zur seismischen Vulnerabilitätsanalyse des Interaktionssystems zwischen gesättigtem Weichboden und U-Bahn-Stationsstrukturen. Sci Rep 13, 7410 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34658-y

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Eingegangen: 12. Januar 2023

Angenommen: 04. Mai 2023

Veröffentlicht: 07. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34658-y

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