城市大型地下结构抗震设计理论与方法及工程应用公示材料.docx

公示内容
一、项目名称：
城市大型地下结构抗震设计理论与方法及工程应用
二、项目简介：
我国目前大规模城市地下空间开发亟需地下结构抗震设计理论、方法及技术与法规指导。经过10余年系统研究，在地下结构地震反应影响因素及规律、损伤破坏模拟模型和方法、破坏机理与失效模式、抗震减震设计理论和方法与技术及工程应用等方面取得了系列创造性成果，形成了较为完整、系统的城市地下工程抗震设计理论和方法及技术、法规，为即将颁布实施的第五代全国地震区划抗震设防全覆盖要求提供了方法、技术和法规保障。周福霖院士任组长的鉴定专家组认为该项成果“总体达到了国际领先水平”，主要创新成果包括：
1、完善和发展了时域整体分析方法并开发了计算平台，为分析城市大型地下结构地震非线性反应和损伤破坏机理提供了方法和手段。
时域整体分析方法主要涉及三个方面：(1)截断人工边界条件模拟方法和地震输入模型；(2)材料非线性和界面接触非线性行为模拟；(3)大型复杂问题高效分析方法。针对这些问题开展了20余年研究工作，取得了系列原创性成果，并在大型商用软件上实现了其计算功能，自主研发了地下结构地震反应和损伤破坏数值模拟软件。
2、揭示了浅埋地下结构地震破坏机理与失效模式，建立了地下结构抗震性能评价方法，提出了地下结构减震控制技术和措施。
首次从围岩土体对地下结构两种作用、组成结构构件不同的受力功能以及关键构件的力学性能与体系受力分配改变等方面，系统阐述了大开地铁车站的地震破坏机理和失效模式，并提出了抗震关键支撑柱概念。建立了地下结构抗震性能和极限抗震能力评价方法。提出了地下结构减震设计技术，核心是弱化内柱水平抗剪切功能，增强内柱抗侧力变形能力。
3、研发了系列有自主知识产权的地下结构-场地土体系地震反应和破坏模拟模型试验技术，开展了国际上迄今为止最为系统的地下结构普通和离心振动台地震反应和破坏模拟试验，获得了地下结构地震反应和破坏的系列规律性认识。
研发了自主知识产权的悬挂式层状多向剪切箱和可控连续体多振动台模型箱等试验装置，以及新型传感技术及数据采集、处理平台。开展了系列振动台模型试验研究，揭示了中柱是地下结构抗震的薄弱环节和埋深对地震反应和破坏的影响规律。
4、为解决复杂断面地下结构抗震设计问题，发展了反应位移法和反应加速度方法，提出了Pushover分析法和惯性力-反应位移法。
现有地下结构抗震设计实用分析方法不适用复杂型式断面地下结构的抗震设计分析。为此，本项目提出了地下结构抗震分析的整体反应位移法、改进的反应加速度法和Pushover分析法解决这一问题。针对浅埋地下结构的围岩作用特征提出考虑上覆土体竖向惯性效应的反应位移法，论证了其合理性。
主编国家和行业以及地方规范、规程4部；获授权发明专利6项，软件著作权7项；完成技术总结报告1本，出版著作6部，发表期刊论文230篇，其中SCI/EI收录论文146篇，被CNKI引用4000余次。成果在北京、沈阳、长春、石家庄、太原、苏州和南京等城市地铁工程抗震设计中获得应用，产生了巨大的社会经济效益。
三、客观评价：
本项研究针对我国城市地下空间资源开发建设中的城市大型地下结构抗震减震关键技术难题，在国家自然科学基金重大研究计划和国家重大基础科学研究计划以及一些省部级和企业课题资助下，系统地开展了理论分析、数值和物理模型模拟、简化分析方法与结合实际工程应用的研究。周福霖院士为专家组长，谢礼立、施仲衡和王复明等院士为专家组成员的项目鉴定专家组评价“ 该项目研究成果丰富、系统、创新性突出，总体上达到了国际领先水平”
四、推广应用情况
编写的国家和行业以及地方相关规范、规程（国家规范《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB 50909-2014)》（首部），住建部行业规程标准《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点(地下工程篇)》、《城市轨道交通工程设计文件编制深度规定》，北京市地方规范《城市轨道交通工程设计规范(DB11/995-2013)》）在指导地震区的城市轨道交通工程建设中发挥了重要作用；研究成果为城市地下工程的防震减灾提供了分析理论与方法，已在北京、沈阳、长春、石家庄、太原、苏州和南京等城市的复杂地铁工程抗震设计分析中获得广泛应用，部分成果还在国防、水电、核电等重大工程结构抗震设计分析中获得应用具有重大的科学和使用价值以及宽阔的推广应用前景，产生了巨大的社会经济效益。
研发的模型试验技术，包括模型试验箱、数据量测与传输、处理技术及软件等，已获应用。
五、主要知识产权目录
1.代表性学术论文
[1]Du Xiuli and Zhao Mi. Stability and identification for rational approximation of frequency response function of unbounded soil. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2010, 39(2): 165-186.
[2]Zhao Mi, Du Xiuli, Liu Jingbo. Explicit finite element artificial boundary scheme for transient scalar waves in two-dimensional unbounded waveguide. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2011, 87(11): 1074-1104.
[3]Lu Dechun, Du Xiuli, Wang Guosheng, et al. A three-dimensional elastoplastic constitutive model for concrete. Computers and Structures, 2016, 163: 41-55.
[4]Chen Guoxing, Wang Zhihua, Zuo Xi, et al. Shaking table test on the seismic failure characteristics of a subway station structure on liquefiable ground. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2013, 42(10): 1489-1507.
[5]Chen Guoxing, Chen Su, Zuo Xi, et al. Shaking-table tests and numerical simulations on a subway structure in soft soil. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2015, 76: 13-28.
[6]Zhuang Haiyang, Hu Zhonghua, Wang Xuejian, et al. Seismic responses of a large underground structure in liquefied soils by FEM numerical modelling. Bulletin of Earthquake Engineering, 2015, 13(12): 3645-3668.
[7]王苏, 路德春, 杜修力. 地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究. 岩土力学, 2012, 11: 3483-3488.
[8]杜修力, 王刚, 路德春. 阪神地震中大开地铁车站地震破坏机理分析. 防灾减灾工程学报, 2016, 36(2): 1-7
[9]刘晶波, 刘祥庆, 王宗纲, 赵冬冬. 土-结构动力相互作用系统离心机振动台模型试验. 土木工程学报, 2010, 11: 114-121
[10]刘晶波, 王文晖, 赵冬冬, 等. 复杂断面地下结构地震反应分析的整体式反应位移法. 土木工程学报, 2014, 01: 134-142
2.授权发明专利
[1]杜修力, 李立云. 一种模拟地震发生及传播土结相互作用的试验装置. 201010259996.X
[2]杜修力, 李立云. 用于地下结构振动台试验的悬挂式层状多向剪切模型箱装置. 201010128793.7
[3]李立云, 杜修力. 一种适用于非一致激励土工模型振动台试验的万向节对装置. 201010249129.8
[4]杜修力, 李霞, 赵密, 等. 用于振动台试验的模拟地基辐射阻尼效应装置. 201110053827.5
[5]杜修力, 李霞. 悬挂式多维输入水平多向剪切模型箱装置. 201110350064.0
[6]陶连金, 王文沛, 张波, 等. 基于FLAC有限差分软件的地层动弹性系数生成方法. 2011100773788
3.软件著作权
[1]王刚, 路德春, 杜修力. 土的统一硬化模型ABAQUS显式算法VUMAT软件V1.0, 2014SR028392
[2]陈苏, 陈国兴. 非接触性动态位移测试软件V1.0, 2013SR022133
[3]陈国兴, 陈苏, 孔梦云. 工程场地液化判别软件V1.0, 2014SR099863
[4]阮滨, 陈国兴, 赵丁凤. 基于Davidenkov骨架曲线的Byrne孔压增量本构计算软件V1.0, 2015SR119440
[5]邵程, 陈国兴. 砂土液化判别软件V1.0, 2015SR212186
[6]陈国兴. 振动信号处理软件V1.0, 2012SR08911
[7]朱翔, 陈国兴. 基于修正Matasovic土动力本构关系的显式计算系统V1.0 2016SR392862
4.规范规程
[1]中华人民共和国国家规范，《城市轨道交通结构抗震设计规范(GB 50909-2014)》
[2]住房和城乡建设部部令,《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点(地下工程篇)》, 2011年发布.
[3]北京市地方规范，《城市轨道交通工程设计规范(DB11/995-2013)》）
[4]北京市地方规程，《城市轨道交通工程设计文件编制深度规定》
六、主要完成人情况
1.杜修力，排名1，副校长，长江学者特聘教授，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学，是该项目主要负责人，对创新点1、2、3、4均有重要贡献，提出总体技术思路，对四个创新点均有贡献。
2.路德春，排名2，教授，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。主持完成了国家自然科学基金重点项目与集成项目重点课题，对创新点[1]和[2]有贡献。
3.陈国兴，排名3，院长，教授，工作单位：南京工业大学，完成单位：南京工业大学。对创新点[3]和[4]有贡献。
4.刘晶波，排名4，教授，工作单位：清华大学，完成单位：清华大学。对创新点[1]、[3]和[4]有贡献。
5.许成顺，排名5，副院长，教授，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。主持完成国家自然科学基金重大研究计划集成项目重点课题；对创新点[1]、[3]和[4]有贡献。
6.陶连金，排名6，教授，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。主持完成国家 973 计划课题；对创新点[3]和[4]有贡献。
7.杨秀仁，排名7，总工程师，教授级高工，工作单位：北京城建设计发展集团股份有限公司，完成单位：北京城建设计发展集团股份有限公司。对创新点[4]有贡献。
8.王君杰，排名8，教授，工作单位：同济大学，完成单位：同济大学。主编国家规范《城市轨道交通结构抗震设计规范》，对创新点[4]有贡献。
9.赵密，排名9，教授，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。对创新点[1]和[4]有贡献。
10.庄海洋，排名10，教授，工作单位：南京工业大学，完成单位：南京工业大学。对创新点[3]有贡献。
11.李霞，排名11，工程师，工作单位：北京城建设计发展集团股份有限公司，完成单位：北京城建设计发展集团股份有限公司。对创新点[3]有贡献。
12.陈苏，排名12，助理研究员，工作单位：南京工业大学，完成单位：南京工业大学。对创新点[3]有贡献。
13.许紫刚，排名13，博士生，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。对创新点[2]和[4]有贡献。
14.马超，排名14，博士生，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。对创新点[1]和[2]有贡献。
15.李洋，排名15，博士生，工作单位：北京工业大学，完成单位：北京工业大学。对创新点[1]和[2]有贡献。
七、主要完成单位及贡献
1.北京工业大学
主持承担了国家 973 计划课题、国基金重大研究计划集成项目重点课题、重点项目等，参编国家与地方规范，对4个创新点均有贡献，对于创新点[1]完善和发展了时域显式整体分析方法。创新点[2]揭示了城市大型地下结构地震破坏机理、失效模式，提出抗震性能评价方法与地下结构减震控制技术。明晰地震作用下围岩土体对地下结构的两种作用效应；提出地下结构抗震最不利埋深和最不利刚度比概念；系统阐述了大开地铁车站的地震破坏机理和失效模式。创新点[3]研发模型试验技术，开展地铁车站与隧道体系双向振动输入等模型试验，获得地震反应的规律性认识；创新点[4]基于对浅埋地下结构地震破坏机理和失效模式的新认识，提出了考虑上覆土体竖向惯性效应的反应位移法；结合北京、长春、太原等城市地铁工程开展抗震专项研究，参编国家首部《城市轨道交通结构抗震设计规范》。
2.清华大学

对创新点[1]、[3]和[4]有贡献，对于创新点[1]提出了地震动斜入射输入方法；创新点[3]系统地开展了地下结构地震反应离心机振动台模型试验研究，获得了地下结构地震反应的规律性认识，揭示了围岩土体对地下结构的动力作用效应；创新点[4]针对目前反应位移法只能求解规则断面弹簧系数的不足，发展了整体式反应位移法。
3.南京工业大学
对创新点[3]和[4]有贡献，对于创新点[3]研发了用于地下结构地震反应的系列模型试验技术，包括层状剪切模型试验箱，非接触式数据采集与多通道传输技术等，有效地解决了利用大型振动台难于实现地下结构地震破坏反应试验；开展了地下结构地震反应(地震破坏)系列振动台模型试验揭示了地下结构的地震反应规律，并为验证、分析和评价时域整体分析方法提供了基础数据；创新点[4]参编国家首部《城市轨道交通结构抗震设计规范》。
4.同济大学
对创新点[4]有贡献，主编了国家首部《城市轨道交通结构抗震设计规范》，以及相应的宣贯教材《城市轨道交通结构抗震设计》；结合规范条例制定开展了相关的设计分析方法及工程应用研究，为指导我国城市轨道交通结构的抗震设计提供了依据。
5.北京城建设计发展集团股份有限公司
对创新点[4]有贡献，主编了北京市地方标准《城市轨道交通工程设计规范》，参编国家首部《城市轨道交通结构抗震设计规范》；结合规范条例制定，开展了相关的设计分析方法研究；结合北京、长春、沈阳、石家庄、太原等城市地铁工程，开展了大型复杂地下结构的抗震应用研究。
6.中国人民解放军理工大学
对创新点[4]有贡献，基于地下结构 pushover 分析方法,提出了一种考虑时空耦合的等效惯性加速度分布模式；开展了地下结构减震控制技术研究，提出了地下结构减震控制原则等。指出在强震荷载作用下，在地铁车站中柱的端部合理设置隔震支座，能够有效减小结构的变形与损伤破坏，提高其抗震能力。
八、完成人合作关系说明
本项成果的主要完成人具有长期合作关系，包括共同承担科研项目、编写国家规范、发表学术论文、联合申请专利等。