Seismic Performance of Middle Columns in Subway Station Structures Strengthened with CFRP Sheets
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摘要: 现浇地铁地下车站结构中柱柱端往往是抗震薄弱区域，采用在中柱顶底端对称包裹CFRP布的加固方法，并基于ABAQUS软件，建立了土-地下结构非线性静动力耦合相互作用的三维有限元分析模型，通过设置不同CFRP布包裹范围及层数的数值模型，研究其对加固效果的影响。研究结果表明，CFRP布可在不改变中柱侧向刚度的情况下增强中柱抗侧向变形能力，同时CFRP布能够减轻中柱顶底端核心混凝土剪切破坏，使震后中柱仍具有一定的承载力，提升了中柱延性。相同地震动输入条件下，CFRP布加固柱核心区混凝土损伤、残余侧向变形及塑性变形较未加固柱有明显改善，抗震性能有明显提高。CFRP布加固效果不会随着包裹范围和层数的增加始终保持线性增长，存在最优值使地下车站结构中柱抗震性能达到最佳，因此建议中柱顶底端CFRP布总包裹范围为中柱高度的1/2，包裹层数为5层。Abstract: In cast-in-place subway station structures, the ends of middle columns are often the most seismically vulnerable areas. This paper proposes a reinforcement method involving symmetrically wrapping CFRP sheets around the ends of middle columns. A three-dimensional finite element model was developed to simulate the nonlinear static and dynamic coupling interactions between the soil and underground structure using ABAQUS software. The influence of wrapping range (b) and the number of wrapping layers (n) on the reinforcement effectiveness was investigated by setting up numerical models with varying wrapping ranges and layer numbers. The objective was to analyze how CFRP wrapping affects the seismic response characteristics of middle columns in subway stations. The results show that CFRP wrapping enhances the lateral deformation resistance of middle columns without altering their lateral stiffness. Additionally, CFRP sheets reduce shear damage in the core concrete at the column ends, maintaining the column's bearing capacity post-earthquake and improving its ductility. Under identical ground motion conditions, CFRP-reinforced columns exhibit significantly reduced concrete damage, residual lateral deformation, and plastic deformation in the core area compared to unreinforced columns, resulting in improved seismic performance. However, the strengthening effect of CFRP does not increase linearly with the wrapping range or the number of layers; there is an optimal combination for achieving the best seismic performance. Based on the findings, the optimal wrapping range is 1/2 of the column height, with five wrapping layers ( b = 1/2, n = 5 ).
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Key words:
- Carbon fiber reinforced composites /
- Subway /
- Stations /
- Reinforce /
- Seismic performance /
- Numerical simulation
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近断层强地面运动特性与断层破裂尺度、断层面位错的发展过程、断层破裂速度、滑动方向以及观测点与断层的相对位置等因素密切相关。受复杂震源破裂过程影响，近断层地震动具有与远场地震动显著不同的特征，比如速度大脉冲、强极性、破裂方向性、滑冲效应和上盘效应等。世界范围内历次破坏性地震的震害经验表明，工程结构地震破坏和人员伤亡往往集中在靠近震源的近断层区域，这与近断层地震动的特殊性及其破坏作用密切相关。近断层地震动特性及地震动模拟研究，对于揭示近断层地震动形成机理、破坏作用以及工程抗震设防具有重要理论意义和应用价值。
近年来，近断层地震动已成为地震学和地震工程学研究关注的热点领域。20世纪以来多个7级以上地震发生在城市附近，并对周围城市造成了严重破坏，如1994年Northridge地震、1995年Kobe地震、1999年Chi-Chi地震和Kocaeli地震、2023年Pazarcik地震等，地震造成的工程结构破坏和人员伤亡主要集中于近断层区域。这些地震之所以对周围城市产生如此严重的破坏，主要与近断层区域强烈的地面运动有关。近断层地震动在振幅、频谱和波形等方面与远场地震动都有明显的差别，如往往表现出明显的速度脉冲特征，这种脉冲通常表现为大幅值、长周期的速度运动或永久位移特征，并具有很高的能量，可以使得结构在地震作用下的非弹性形变显著增大，导致结构倒塌风险概率的增加。
目前在近断层地震动研究方面，主要是利用收集到的强震动观测记录，对比分析近断层地震动在幅值、持时、频谱、速度和位移反应谱、非平稳特性方面与远场地震动的不同，研究近断层的特殊地震动特征与震级、断层类型、距离和场地条件等因素之间的关系；另一方面，基于地震学理论，采用震源动力学或运动方法模拟近断层地震动的产生和传播过程，或者结合数学模型对近断层地震动（如速度大脉冲）进行仿真，应用于工程抗震研究。然而，由于近断层地震动具有非常复杂的形成机理，其受地震震源特性（如断层破裂速度和方向性、几何条件、断层机制等）的影响非常显著，在不同震源机制及地形和场地条件的影响下，近断层地震动会体现显著不同的特点。
针对近断层地震动对工程结构的破坏作用，国内外已取得许多重要成果，但大都没有考虑速度脉冲的不同形成机制（如断层的破裂方向性和滑冲效应等）对其脉冲特性的影响。尽管由破裂方向性效应引起的速度大脉冲很早就已被观测结果证实，但关于它对结构破坏作用的研究却比较晚。直到1994年Nothridge地震之后，人们才开始普遍认识到脉冲对长周期结构的危害性，并且在工程设计中开始考虑这种放大影响。研究人员提出了考虑近断层效应的加速度反应谱修正方法，将近断层地震动的所有周期的幅值或反应谱相对于以往的地震动水平一致地提高。然而，研究发现方向性效应引起的近断层速度大脉冲，并不是对地震动所有频带的成分一致地放大，而是影响特定频段的地震动，这个现象被称为“窄带方向性效应”。此外，近断层地震动有较强的极性特征，即同一场点的地震动随观测方向会发生显著变化，这对地震动的速度脉冲特性会产生影响，而目前在这方面的研究还处于初步阶段。
本期专题收录了针对近断层地震动特性及模拟相关热点问题研究的5篇文章。谢俊举等利用强震动观测台站以及国家地震烈度速报和预警工程台站记录研究了2022年泸定6.8级地震近断层地震动空间分布、衰减和速度脉冲特征，揭示了此次地震中近断层地震动随观测方向变化的显著差异及速度脉冲对反应谱的窄带放大作用，研究表明此次地震近断层地震动空间分布和极性特征受地震走滑破裂特征所控制。赵晓芬等利用日本北海道胆振东部 6.6级地震中K-NET和KiK-net强震动台网获取的近场强震动加速度记录，研究了上盘效应对此次近断层地震动空间分布和衰减的影响，基于残差分析定量评估了断层上盘和下盘的地震动峰值和不同周期地震动反应谱的差异，并与NGA-West2地震动经验预测模型对比，揭示高倾角的北海道地震的地震动上盘效应特征，研究发现此次地震上盘效应主要影响断层距离小于45 km的范围，且主要影响PGA和短周期（T≤1.0 s）地震动。万志文等基于运动学有限断层震源模型，采用高精度谱元法模拟逆断层地震事件的近断层地震动，研究了上盘效应影响下断层上、下盘地震动的差异，揭示断层几何尺寸、上界埋深及断层倾角对地震动上盘效应的影响规律；研究发现上盘效应随断层上界埋深的增加先增大后减小，且随着断层上界埋深的增加，上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展；随着断层倾角的增加，上盘效应先增大后减小，当断层倾角为45°时上盘效应最为明显。张海等利用区域地表高程、速度介质参数以及地震断层滑移分布数据，采用谱元法精细化模拟了青海门源MS6.9地震的地震波传播过程，并与实测强震动观测结果进行对比，揭示了地震断层对近断层地震动分布和方向性效应的影响；受复杂山体起伏和强地面运动方向性效应的影响，地震波在断层两侧出现反应较为剧烈的波前，山体的密集分布对PGV和地震动持续时间有显著影响，而平坦区域的地震响应相对较弱。张钦等利用实测强震动记录研究了近断层地震动的脉冲特征、高低频分量模型参数、频谱特征，给出了高频分量模型参数建议值和低频分量模型参数的概率分布；基于谱表示-随机函数提出了一种考虑脉冲参数随机性的近断层脉冲型地震动的降维建模方法，通过与实测记录对比，验证了近断层脉冲型地震动降维方法的工程适用性；该方法可以较好地模拟向前方向性效应和速度大脉冲特征，提高模拟精度，为近断层区域结构随机地震动反应分析和抗震研究提供可靠的地震动输入。
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图 2 土-地下结构动力相互作用体系有限元模型
Figure 2. Finite element model for soil-subway station dynamic interaction system
图 3 中柱核心区混凝土损伤（PBA=0.3 g，Kobe波）
Figure 3. Concrete damage in the core area of the middle column under 0.3 g Kobe wave
图 4 中柱变形时程曲线（PBA=0.3 g、Kobe波）
Figure 4. Time histories of deformation of the middle column under 0.3 g Kobe wave
图 5 中柱等效塑性应变（PBA=0.3 g、Kobe波）
Figure 5. Equivalent plastic strain in the middle column under 0.3 g Kobe wave
图 6 中柱变形时程曲线（PBA=0.3 g、Kobe波）
Figure 6. Time histories of deformation of the middle column under 0.3 g Kobe wave
图 7 中柱等效塑性应变（PBA=0.3 g、Kobe波）
Figure 7. Equivalent plastic strain in the middle column under 0.3 g Kobe wave
表 1 大开单层车站土层主要物理力学参数
Table 1. Material parameters for soil
土质 深度/m 密度/(kg·m−3 ) 剪切波速/(m·s−1) 泊松比 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 人工填土 0～1.0 1 900 140 0.333 20 15 全新世砂土 1.0～5.1 1 900 140 0.488 1 40 全新世砂土 5.1～8.3 1 900 170 0.493 1 40 更新世黏土 8.3～11.4 1 900 190 0.494 30 20 更新世黏土 11.4～17.2 1 900 240 0.490 30 20 更新世砂土 17.2～39.2 2 000 330 0.497 1 40 
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表 2 模拟工况设计
Table 2. Simulation of the working condition
组号 编号 配布情况 b n A组 A1 0 0 B组 B1 1/8 5 B2 1/2 5 B3 1 5 C组 C1 1 3 C2 1 7
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表 3 不同CFRP布包裹范围中柱残余侧向变形
Table 3. Residual deformation of columns in different CFRP cloth wrapping ranges
地震动 PBA/g 残余侧向变形/mm 残余侧向变形衰减百分比/% 等效塑性变形/% 等效塑性变形衰减百分比/% n=0
b=0n=5
b=1/8n=5
b=1/2n=5
b=1n=0
b=0n=5
b=1/8n=5
b=1/2n=5
b=1n=0
b=0n=5
b=1/8n=5
b=1/2n=5
b=1n=0
b=0n=5
b=1/8n=5
b=1/2n=5
b=1Kobe波 0.1 2.57 2.33 1.43 1.49 0 9.3 44.3 42.0 0.19 0.17 0.12 0.13 0 10.5 36.8 31.6 0.2 4.13 3.67 1.97 2.03 0 11.1 52.3 50.8 0.32 0.28 0.19 0.19 0 12.5 40.6 40.6 0.3 6.71 5.89 2.83 3.13 0 12.2 57.8 53.4 0.54 0.47 0.31 0.32 0 12.9 42.6 40.7 卧龙波 0.1 1.03 0.92 0.47 0.48 0 10.7 54.4 53.4 0.08 0.07 0.06 0.05 0 12.5 25.0 37.5 0.2 2.70 2.40 1.23 1.25 0 11.0 54.5 53.7 0.21 0.17 0.12 0.13 0 14.3 42.9 38.1 0.3 4.06 3.54 1.83 1.85 0 12.8 54.9 54.4 0.31 0.26 0.17 0.18 0 15.0 45.2 41.9 什邡八角波 0.1 2.49 2.22 1.31 1.39 0 10.8 47.4 44.2 0.18 0.16 0.11 0.12 0 11.1 38.9 33.3 0.2 4.07 3.54 1.84 1.85 0 13.1 54.8 54.8 0.31 0.25 0.16 0.18 0 19.4 48.4 41.9 0.3 6.11 5.01 2.52 2.60 0 18.0 58.8 57.4 0.49 0.39 0.25 0.27 0 20.4 50.0 44.9
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表 4 不同CFRP布包裹层数中柱的残余侧向变形
Table 4. Residual deformation of columns in different CFRP cloth wrapping layers
地震动 PBA/g 残余侧向变形/mm 残余侧向变形衰减百分比/% 等效塑性变形/% 等效塑性变形衰减百分比/% n=0
b=0n=3
b=1n=7
b=1n=5
b=1n=0
b=0n=3
b=1n=7
b=1n=5
b=1n=0
b=0n=3
b=1n=7
b=1n=5
b=1n=0
b=0n=3
b=1n=7
b=1n=5
b=1Kobe波 0.1 2.57 2.22 1.48 1.49 0 13.6 42.4 42.0 0.19 0.17 0.12 0.13 0 10.5 36.8 31.6 0.2 4.13 3.56 2.03 2.03 0 13.8 50.8 50.8 0.32 0.27 0.19 0.19 0 15.6 40.6 40.6 0.3 6.71 5.58 3.15 3.13 0 14.2 53.1 53.4 0.54 0.44 0.32 0.32 0 18.5 40.7 40.7 卧龙波 0.1 1.03 0.94 0.48 0.48 0 8.7 53.4 53.4 0.08 0.07 0.05 0.05 0 12.5 37.5 37.5 0.2 2.70 2.39 1.65 1.25 0 11.5 38.9 53.7 0.21 0.18 0.12 0.13 0 14.3 42.9 38.1 0.3 4.06 3.45 1.82 1.85 0 15.0 55.2 54.4 0.31 0.26 0.16 0.18 0 15.0 48.4 41.9 什邡八角波 0.1 2.49 2.14 1.37 1.39 0 14.1 45.0 44.2 0.18 0.17 0.11 0.12 0 5.6 38.9 33.3 0.2 4.07 3.45 1.85 1.85 0 15.2 54.5 54.8 0.31 0.27 0.18 0.18 0 14.8 41.9 41.9 0.3 6.11 5.17 2.59 2.60 0 15.4 57.6 57.4 0.49 0.38 0.27 0.27 0 22.4 44.9 44.9
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