考虑土-结构相互作用的地铁地下复杂结构地震响应的快速时空域边界面方法理论研究及应用

The earthquake is an inevitable external event must be considered in the design of subway underground structures. The underground structure and soil become a complicated dynamic interaction system under the earthquake. In addition, the geometric scale and material properties of the rock mass have varieties, which further require the corresponding analysis method for the soil-structure dynamic interaction system should be efficient and can be used to large scale computation. The existed methods have much difficult for the analysis of the seismic response of complicated subway underground when the infinite of the foundation is considered. This project will propose an improved boundary element - boundary face method to solve the problem in time domain and the method has advantages for the analysis of complicated structures or irregular layered soil mass. A large-scale-computed and stable method will be developed for the seismic response analysis of semi-infinite layered soil mass by combined the multi-domain method and fast multipole method. Then the non-matching coupling technique for the fast time-space boundary face method/finite element method coupling will be proposed by combining the advantages of finite method in nonlinear problems. The nonlinear dynamic model in 3D space will be constructed based on the subway underground in building in Wuhan. The high-performance coupling method will be tested and revised by model experiments. Finally, the method will be applied to investigate the seismic response of complicated subway underground structures. The research can provide a reference for the improvement of the theory of structure seismic analysis.

地震是地铁地下结构设计时必须考虑的外部事件。地震作用下，地下结构-土体构成了一个复杂的动力相互作用体系，加上岩土体几何尺度和材料性质非线性，均要求相应的土-结动力相互作用分析方法兼具求解效率和计算规模。现有的方法在考虑地基半无限性的影响下分析地铁地下复杂结构地震响应时存在诸多困难。本项目拟采用一种改进的边界元法-边界面方法在时域内进行求解，该方法在分析复杂场地或不规则成层土体时具有较大优势；结合快速多极算法和多域算法，实现半无限成层土体地震响应的大规模稳定求解技术；在此基础上，结合有限元法在求解非线性问题上的优势，提出快速时空域边界面/有限元非匹配耦合模型，有效控制求解规模；以武汉在建地铁为原型，建立空间非线性动力模型，开展振动台模型试验，验证并修正构造的高性能耦合计算方法；最后利用该方法开展地铁地下三维复杂结构的地震响应规律研究。本项目研究成果可为完善我国抗震分析理论提供参考。

地铁地下结构型式复杂，不同城市的地铁围岩呈现几何尺度和材料性质的多样性，因此，随着地铁工程安全性要求的不断提高以及抗震防灾工程需要的日益迫切，必须发展计算效率和求解规模兼顾的快速高效动力相互作用分析方法，研究不同土壤类型和地震荷载作用下的动力响应特征，为地铁抗震设计提供理论依据。本项目通过理论分析、模型试验和数值模拟等手段，建立了一套高效的地铁地下结构非线性分析方法。主要工作包括：1) 建立了边界面法基本理论框架，对该方法进行了参数敏感性分析，推导了时域有限元/边界面耦合算法，通过典型算例验证了算法的有效性，在此基础上，为降低求解规模，提出了一种简化分析方法-广义反应位移法。2) 对武汉典型软土进行土动力特性试验，对广泛使用的Davidenkov动力本构模型进行了修正，得到了适用于武汉地区的模型参数；设计并开展了地铁地下结构振动台模型试验，验证了所提出算法的有效性；3) 提出了Hilbert谱表示法，对空间变异地震动的条件/非条件模拟进行了深入研究，以武汉在建超大直径盾构隧道过江段为依托工程，利用所提出的分析方法，系统的研究了复杂地层条件下地铁地下结构地震动力响应特征，对比分析了一致和非一致地震动输入下管片张开量等控制参数，提出了合理的减震措施；4) 提出了考虑横向剪切作用的地铁隧道地震动力响应的闭合解。将地铁隧道简化为欧拉梁，定性地研究了地下隧道在地震作用下的动力响应特征，分析了土体材料参数与地震动斜入射角度对地下隧道地震动力响应的影响，该解析解为本项目提出的分析方法从另一个角度提供佐证。. 依托本基金项目，共撰写22篇标注基金编号的论文，其中被SCI收录11篇；获中国岩石力学与工程学会自然科学一等奖1项；课题组成员参加国际学术会议3人次，国内学术会议15人次；依托本项目毕业博士2名，其中1名获湖北省优秀博士学位论文，硕士4名。