考虑地震动空间非一致性的地铁地下结构数值分析模型与高效算法

地铁地下结构作为重要的生命线工程，其抗震问题日益受到重视。然而，对大型地铁站及隧道等地下结构的地震反应具有较大影响的地震动空间非一致性问题，缺乏相应的研究。以大型地铁车站及连接隧洞为研究对象，基于多相介质推导远场非线性等效人工边界单元，研究考虑土层介质阻尼影响的斜入射自由波场输入方法，建立考虑地震动空间非一致性的地下结构-地基系统地震反应分析的非线性时域数值模型，提出考虑地震动空间非一致性的地下结构-地基动力相互作用问题的快速高效算法；基于地震模拟振动台三台阵系统，开展考虑地震动空间非一致性的地下结构-地基系统的振动台模型试验，对数值模型进行验证和修正；利用修正的数值模型和算法，深入分析不同入射角和不同地震波场作用下大型地铁车站及连接隧洞-地基系统的地震反应，明确结构易损位置、车站与隧道连接部位及隧道出入地面处的反应规律，提出合理有效的工程抗震措施，完善地铁地下结构的抗震计算和抗震设计。

基于粘弹性人工边界研究波动散射问题的自由波场输入方法，编制计算程序从而使非一致地震动场转化为施加于人工边界节点上的等效荷载。采用有限元分析方法，将结构周围的土体视为固－液二相介质，对地下结构地震反应进行了数值模拟，讨论了采用多相介质的必要性。为深入了解粉质粘土地基条件下地铁车站在非一致地震动激励下的动力反应规律，设计并完成了粉质粘土地基条件下非一致地震动激励下地铁车站模型的振动台试验，建立了试验的数值模型进行相互验证。结果表明地震波先到达一端车站截面动力反应较地震波后到达一端截面动力反应有差别，距离越远，差别越大，在大型地下结构中应考虑非一致地震波动的影响。建立了三维地铁车站有限元模型，通过计算多种地震波一致与非一致输入工况下地铁车站的地震动响应，总结了地铁车站在非一致地震动作用下的反应特性，同时得到了非一致地震动作用对于墙板连接位置附近的影响较大，在设计时有必要考虑地震动非一致性对该位置影响而作保守设计。建立了地铁隧道的二维非线性有限元计算模型，研究了地下结构抗震简化分析方法，讨论了拟静力加载模式，研究了结构的地震反应，并与动力时程分析的计算结果对比验证 。