不规则地铁车站地震反应分析与土结相互作用相关问题研究

摘要

目前，出于简单满足工程设计目的的考虑以及分析手段的限制，对地铁地下车站或区间隧道的抗震研究，大多采用切片式的典型横断面二维模型进行分析。但随着地铁工程的发展，地铁车站结构的构造及形式日趋大型化、复杂化和多样化，空间交错结构也越来越多，具有明显的空间效应，因此在实际分析中，不同的结构构造形式、空间组合以及周围场地条件都是应该考虑的因素。所以，为了更深入合理地研究这类地下结构的的地震响应特点和响应规律，也为了更正确地预测和评估其抗震安全性，有必要采用三维土-地下结构动力相互作用分析模型来对结构的弹塑性地震反应进行研究。为此，本文以天津站轨道换乘中心大型不规则地下地铁车站结构为研究对象，考虑土-结构动力相互作用，对其进行水平地震作用下的弹塑性地震反应分析，以期从中获得一些有意义的结论，为类似地下工程结构的抗震设计提供有益的参考依据和建议。此外，本文还针对土-结构动力相互作用有限元分析的一些相关问题进行了专门的研究和探讨。鉴于以上研究目的，本文从地下结构抗震研究以及土-结构动力相互作用研究两方面入手，主要完成了以下几方面创新工作：
　　 (1)针对地下不规则结构的抗震性能问题开展研究。以天津站轨道换乘中心大型不规则地下地铁车站结构为研究对象，采用ANSYS软件，基于一定的假设与合理简化，选取适当的参数，成功建立了包括土体、地下车站结构和桩基在内的大型整体三维有限元模型，对其进行直接动力分析，得到了结构在不同超越概率水平、不同地震波作用下的水平位移、加速度、内力反应规律以及侧向变形特征等，通过分析发现：结构的平面不规则性使得结构刚度在水平方向上存在差异，在较强的水平地震作用下，结构可能发生明显的扭转，从而导致某些转角部位出现应力集中现象，产生塑性应变；结构的竖向不规则性对结构地震反应的影响主要体现在其引起的土体对结构的约束作用沿深度方向上的差异性，这种差异性可能会导致结构在较强的水平地震作用下出现侧向摆动，从而增大P-△效应，此外，这种差异性还导致结构在竖向截面形式发生突变的相邻楼层中产生较大的层间位移反应，并进一步影响到各层结构柱的受力情况，使得地下三层结构柱的内力反应远大于其他楼层的结构柱。保持截面的对称性有利于提高地下地铁车站结构的抗震性能。
　　 (2)针对分枝模态-二步分析法在土-结构动力相互作用中的应用研究日趋成熟，但对采用ANSYS进行分枝模态-二步分析法的具体应用还不多见的情况，进行了分枝模态-二步分析法在ANSYS中的应用研究，重点阐述了基于ANSYS的分枝模态-二步分析法的实施过程及其程序实现，并结合工程应用实例进一步对相关计算流程和关键技术进行了具体的说明，从算例的计算结果来看，基于ANSYS软件进行土-结构动力相互作用分枝模态-二步分析法分析是可行的、有效的。
　　 (3)针对采用“均质化”方法建立桩土模型进行土-结构动力相互作用分析时的关键问题即桩土均质化有效力学性能的确定问题进行了专项研究。采用基于FEM的数值模拟方法，借鉴复合材料均质化理论引入桩土复合体特征体元RVE，以ANSYS软件为工具对其进行数值模拟试验分析，包括主轴方向的模拟压缩试验和模拟剪切试验，提取相应计算结果后结合复合材料力学理论计算得到全过程的RVE平均(或等效)应力应变曲线，从而获得RVE的一些基本宏观非线性力学特性，根据这些非线性特性可进一步完善对桩土均质化有效力学性能的描述，使得采用“均质化”方法建立桩土模型进行土-结构动力相互作用分析的结果更趋合理。