对地铁车站及区间隧道等地下结构来说,周围地基特性对结构地震反应及破坏特征的影响显著。在地震反应过程中,周围地基尤其是上覆土层的重力效应对结构地震反应会产生不容忽视的影响。如何合理地反映地基的静力效应及地基半无限性的影响是一个比较重要的问题。这一问题的解决涉及到动力人工边界及静力人工边界的合理确定和设置。由于目前已有的动力人工边界一般不适用于地下结构-地基系统的静力分析,因而普遍的解决办法是针对静力问题和动力问题采用不同的人工边界。对于静力问题,采用固定人工边界或其他静力边界(边界元或无穷元),而动力问题则采用动力人工边界,这导致形成了两个不同的分析模型。针对不同模型,首先分析静力问题,然后基于静力分析结果进行动力分析,最后将两种分析结果进行组合。这种做法不仅麻烦,也不能很好地反映地下结构周围地基的重力效应对非线性结构地震反应的影响。因而有必要发展一种对静力分析和动力分析均能适用的静-动力统一人工边界,并提出直接在静-动力统一人工边界上实现地震波场的输入方法。基于静-动力统一人工边界建立一个可考虑上覆土层的重力效应、实现强地震动有效输入、合理反映结构材料非线性、结构-地基动接触非线性、近场地基非线性与远场地基非线性等影响因素的理论分析模型是完善地下结构静力分析及地震反应分析的合理途径。

　　2土-结构动力相互作用分析的快速高效算法

　　求解土-结构动力相互作用问题的方法可以分为解析法、半解析法和数值法等[2,31]。由于地下结构的复杂性,解析法和半解析法的使用受到限制,而数值方法的使用最为广泛。在众多数值方法中,有限元法由于具有灵活方便、适应性强的优点,得到了广泛的应用。当采用有限元法结合人工边界对强地震作用下的土-结构开放系统进行整体分析时,由于系统非线性的影响,必需采用时域逐步积分算法完成计算,当所研究问题的尺度大、力学模型的自由度多时,其分析计算工作量巨大。地铁地下结构构造复杂,往往又处在一个复杂的地震动场中,虽然目前由于分析手段的限制或出于简单满足工程设计目的考虑,常常采用切片的二维计算模型进行抗震分析,但为更深入研究和了解地铁地下结构的地震反应规律、分析不同地震动场的综合影响,采用地铁地下结构三维整体模型进行研究还是必需的。

　　有限元离散模型中单元尺寸的大小与地震波及传播介质的性质有关。对于位于土中,特别是软土中的地下结构进行地震反应分析时,为对土中地震波的传播有足够的模拟精度,往往需要采用尺寸足够小的单元,导致离散模型单元数目很多。地铁地下车站的长度一般超过100m,甚至达200m,因而地铁车站-地基系统计算分析模型尺度很大,尤其是需要同时研究地铁车站与区间隧道连接处等震害易发生部位的地震反应及破坏规律时,计算模型的尺度将更大。在强地震作用下,地铁地下结构-地基系统的非线性动力行为不可避免。虽然通过引入人工边界可以选取相对较小的计算区域,但是三维非线性动力分析模型(模型尺寸取决于地下结构的尺寸)的采用仍然决定了巨大的计算工作量。因而进一步发展快速高效的计算方法以更有效地降低计算工作量,成为地铁地下结构-地基系统非线性动力相互作用分析模型的推广应用所需要解决的关键问题之一。

　　3地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能的评估方法

　　动力时程分析方法作为一种可靠的分析手段适用于深入研究地铁等地下结构抗震理论,而对于评估地下结构承载力极限状态和进行常规的地铁地下工程抗震设计,还需要发展简便和实用的分析方法。借鉴目前建筑结构的抗震设计方法,发展新的评估地铁地下结构地震破坏模式及抗震性能的方法是很有意义的。我国GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需要进行大震作用下结构的弹塑性变形验算,对于地铁地下结构尤其是地铁车站结构来说,大震作用下

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