土-地下结构非线性动力相互作用及其大型振动台试验研究

摘要

地铁是未来解决城市交通拥挤问题的主要途径，已有的震害表明，地铁地下结构一旦遭受地震破坏，将会给地震应急和震后修复工作带来极大的困难，出于城市防灾减灾的要求，对城市地铁地下结构的抗震性能及其抗震设计方法的研究越来越受到人们的重视。由于地铁地下结构完全埋于土中，在强地震发生时，土体的大变形是导致地铁地下结构破坏的主要因素，因此，土体的非线性动力特性和土－地下结构非线性动力相互作用是研究该问题的主要研究内容。 本文的研究旨在通过对新近沉积土的动力特性及其非线性地震反应进行分析，在此研究基础上进行深厚软弱场地上土－地铁地下结构非线性动力相互作用的数值模拟和大型振动台模型试验，探索地铁地下结构的震害成灾机理及其非线性地震反应规律，为地铁地下结构的优化设计和简化抗震计算方法提供合理的建议和可靠的指导。论文的主要工作如下： 1．基于抛物线内插法，推导了计算地震动反应谱的连锁计算公式，通过与常用的精确法和解析方法的计算结果对比分析，验证了本文提出的反应谱计算方法比精确法有更高的计算精度； 2．对新近沉积土的动力参数进行了试验研究，给出了新近沉积土的动剪切模量比和阻尼比与剪应变幅的关系，同时，给出了新近沉积土的最大剪切模量的经验计算公式，在此基础上建立了土体的非线性粘弹性动力本构模型和基于广义塑性力学的记忆型多屈服面的粘塑性动力本构模型及其模型算法； 3．开发了成层场地非线性地震反应的时域分析程序和基于ABAQUS软件的土体非线性动力本构关系的子程序，采用不同的土体动力本构模型，对比分析了含有新近沉积土的深厚软弱场地非线性地震反应规律，验证了本文建立的土体非线性动力本构模型和开发的场地时域非线性分析程序的可行性； 4．基于ABAQUS软件，研究了土－地下结构非线性动力相互作用的有限元建模方法、计算方法及其关键问题的处理技术，探索了1995年日本阪神地震中大开地铁车站震害的成灾机理，合理地解释了大开地铁车站的主要震害现象，同时，通过该算例也验证了本文建立的土－地下结构非线性动力相互作用分析模型和计算方法的可靠性； 5．基于本文建立的土－地下结构非线性动力相互作用的分析模型和计算方法，研究了深厚软弱场地上地铁区间隧道和地铁车站结构的非线性地震反应规律，对地铁区间隧道和地铁车站结构的水平位移、加速度和动内力反应进行了系统的研究，提出了在深厚软弱地基上地铁地下结构的抗震优化设计建议，同时，研究了地铁地下结构的建设对周围场地地震反应的影响规律； 6．基于上述对地铁地下结构非线性地震反应规律的研究，提出了含有可液化土层的深厚场地上土－地下结构动力相互作用的大型振动台模型试验方法，以南京地铁的工程建设为背景，开展了双洞单轨的地铁区间隧道和两层双柱三跨的地铁车站结构的大型振动台模型试验，对试验的结果进行了整理和分析，通过模型试验结果与上述地铁地下结构地震反应数值模拟结果的对比，分析了地铁地下结构的地震反应规律。