基于振动台试验实验数据的地下结构地震脆弱性评估

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Seismic fragility assessment of an underground structure based on the experimental data from shaking table tests

本研究提出基于实验数据的地下结构抗震能力评估新方法，通过摇台试验获取多组实验数据，结合参数相关性分析确定最优地震动强度指标（IM），构建了包含不同极限状态的标量抗震能力曲线和矢量抗震能力曲面，验证了矢量方法在概率地震性能评估中的优越性。

　　地震灾害对地下结构的影响一直是工程界关注的重点。随着现代城市化进程的加快，地下结构如地铁站、隧道等被广泛应用于交通、工业和市政等领域，它们在改善城市空间利用、缓解地面拥挤、提升生活品质等方面发挥着重要作用。然而，尽管地下结构通常被认为比地面结构具有更好的抗震性能，但近年来多次强震事件中，许多地下结构仍然遭受了不同程度的破坏。例如，1995年日本神户地震期间，大开地铁站发生了倒塌；1999年台湾集集地震中，隧道结构出现了严重损坏；2008年中国汶川地震中，多处地下建筑受损；2016年日本 Kumamoto 地震中，地铁系统也受到影响。这些实例表明，地下结构在地震中的表现并非总是理想，因此对它们进行科学、系统的抗震性能评估变得尤为重要。

地震脆弱性评估是衡量结构在地震作用下达到特定损伤状态的概率的重要工具。传统方法主要依赖于分析手段，通过一系列数值模拟来推导地震脆弱性曲线或曲面。然而，随着对地下结构抗震性能研究的深入，人们逐渐意识到，基于实验数据的评估方法能够提供更为直观和准确的依据。本研究提出了一种全新的方法，利用实验数据进行地下结构的地震脆弱性评估，旨在同时获得最优地震强度指标（IM）、地震脆弱性曲线和曲面。这一方法不仅提高了评估的可靠性，还为地震韧性评估的整个框架提供了基础支持。

在传统方法中，地震脆弱性曲线通常基于地震强度指标与工程需求参数（EDP）之间的关系进行构建。EDP 是指地震作用下结构的响应参数，如位移、加速度、速度等，而 IM 则用于量化地震的强度，如峰值地面加速度（PGA）、峰值地面速度（PGV）等。然而，这些参数在不同地震场景下的表现可能有所不同，因此选择合适的 IM 对于准确评估结构的脆弱性至关重要。本研究通过一系列震动台实验，获取了地铁站结构在不同地震作用下的响应数据，进而识别出最适合用于构建地震脆弱性曲线和曲面的 IM 参数。

震动台实验是一种有效的方法，能够模拟真实地震作用下的结构响应，从而揭示地下结构在地震中的性能特征。相比于传统的离心机实验，震动台实验可以构建较大规模的模型，减少模型尺寸对实验结果的影响，同时便于观察和记录结构在地震中的行为。本研究中，我们对一个典型的上海两层三跨地铁站结构进行了震动台实验，并在同济大学的国家重大工程抗震防灾重点实验室中完成。通过实验数据，我们能够更全面地了解结构在地震中的表现，包括其地震响应特性、地基特性、结构与地基之间的相互作用等。

在实验数据的基础上，我们识别了最优的地震强度指标（IM），并据此构建了地震脆弱性曲线和曲面。通过分析不同 IM 参数与 EDP 之间的相关性，我们发现峰值地面加速度、峰值地面速度以及加速度谱强度（ASI）是最具潜力的 IM 参数。这些参数不仅在相关性上表现优异，而且在实际应用中具有较高的效率和实用性。进一步地，我们根据不同损伤状态（如轻微、中等、严重、倒塌）构建了不同类型的地震脆弱性曲线和曲面，从而能够更准确地预测结构在不同地震强度下的损伤概率。

此外，本研究还强调了地震脆弱性曲面相较于地震脆弱性曲线的优势。地震脆弱性曲面能够提供更完整和更可靠的信息，特别是在进行地震性能评估时，可以同时考虑多个地震强度指标和多个工程需求参数，从而更全面地反映结构的脆弱性。相比之下，地震脆弱性曲线通常仅考虑单一地震强度指标，可能无法充分反映结构在复杂地震作用下的表现。因此，构建地震脆弱性曲面对于提高地震性能评估的精度和可靠性具有重要意义。

在识别最优 IM 参数的过程中，我们采用了一种系统的方法，对多个候选 IM 参数进行了全面分析。通过比较不同 IM 参数在实验数据中的表现，我们发现某些参数在特定地震场景下具有更高的相关性和实用性。例如，峰值地面加速度在描述地震强度方面具有较高的效率，而加速度谱强度则能够更好地反映地震的频谱特性。这些发现为后续的地震脆弱性分析提供了重要的依据，同时也为工程界在选择地震强度指标时提供了参考。

本研究的实验数据不仅为地震脆弱性分析提供了基础，也为后续的地震韧性评估提供了支持。地震韧性评估旨在衡量结构在地震作用下的恢复能力和持续运行能力，是地震工程研究的重要方向之一。通过构建地震脆弱性曲线和曲面，我们能够更准确地评估结构在不同地震强度下的损伤概率，从而为地震韧性评估提供数据支持。此外，实验数据还可以用于验证和优化现有的理论模型和数值模拟方法，提高其在实际工程中的适用性。

在实际工程应用中，地震脆弱性评估的结果可以用于指导结构设计、维护和加固工作。例如，对于新建的地铁站结构，可以通过地震脆弱性评估来优化其抗震设计，提高其在强震下的安全性。对于已有的地下结构，可以通过评估其地震脆弱性来制定相应的维护和加固措施，确保其在未来的地震中能够保持较高的性能水平。此外，地震脆弱性评估还可以用于风险分析和应急预案的制定，帮助相关部门更好地应对地震灾害带来的影响。

综上所述，本研究提出了一种基于实验数据的地震脆弱性评估方法，通过震动台实验获取地铁站结构在不同地震作用下的响应数据，进而识别最优地震强度指标并构建地震脆弱性曲线和曲面。这一方法不仅提高了地震脆弱性评估的准确性，还为地震韧性评估提供了新的思路和工具。未来，随着实验数据的积累和分析方法的不断优化，基于实验的地震脆弱性评估有望成为地下结构抗震性能评估的重要手段，为地震工程研究和实际应用提供更加坚实的理论基础和技术支持。