地下结构-土体-基础-地表结构复杂体系地震响应规律及简化计算方法研究

With the background of urban underground space exploitation and utilization in great scale in China, more and more underground structures run across aboveground structures in short distance, which make the dynamic interaction between underground structures and aboveground structures become more complicated. This dynamic interaction, however, has been neglected in current structure seismic response analysis theory. This project aims to study this dynamic interaction. The seismic response of the complicated system will be studied in the project by theoretical analysis, numerical simulation and experimental study, and a simplified computation method will be proposed. The research contents include: (1) The seismic responses of the complicated system will be determined preliminary by numerical simulation through systematic parameters analysis, which in turn can provide guidance to the design of model test. (2) Shaking table model tests for the complicated system will be conducted and the numerical computation results will be verified and corrected based on the test data. The seismic response of the complicated system, therefore, will be determined finally. (3) Lumped mass method for seismic responses computation for the complicated system will be established based on the traditional lumped mass model for the analysis of soil-structure dynamic interaction system, and the simplified method will be verified, improved and expanded based on the computation results, the test data and some analytic solutions of special cases. The research results of the project would provide references to improvement of structure seismic analysis theory and city holistic planning in China.

在我国大规模开发利用城市地下空间的背景下，越来越多的地下结构近距离穿越地表结构，地下结构与地表结构在地震时的动力相互作用关系日趋复杂，但目前的结构抗震分析理论忽略了这种动力相互作用。本项目正是基于此而提出，拟采取数值计算、试验研究和理论分析相结合的方法研究该复杂体系地震响应规律，建立体系地震响应简化计算方法。研究内容包括：（1）采用数值方法研究各方面影响因素对复杂体系地震响应的影响规律，初步确定体系地震响应规律，指导模型试验设计；（2）进行复杂体系振动台模型试验，检验并修正数值计算结果，同时结合对试验数据的分析，确定体系地震响应规律；（3）基于传统土-结构动力相互作用体系地震响应分析的集中质量模型，建立适用于该复杂体系地震响应分析的集中质量法，依据数值计算结果、试验结果及特殊工况的解析解，检验、完善并扩展简化计算方法。项目研究成果可为完善我国的结构抗震分析理论及城市整体规划提供参考。

随着我国城市轨道交通建设的深入发展，地下结构下穿地表临近结构的工程越来越多，距离也越来越近，由此导致地下结构与地表临近结构构成了一个相互作用的整体。受1995年日本神户大地震造成大开站严重破坏的冲击，以及地下结构在城市生命线工程中的地位越来越重要，极有必要系统研究地下结构-土体-基础-地表临近结构复杂相互作用体系的地震响应规律，为地下结构的初步设计、地表结构的抗震设计及加固等提供参考。. 项目研究理论分析部分主要包括：（1）基于场地安评报告，归纳总结了软土的动力特性；（2）基于经典土体阻抗函数理论，确定了土弹簧计算参数取值依据；（3）归纳总结了反应位移法和反应加速度法的基本原理和计算步骤。数值计算部分包括：（1）建立了自由场模型，分析了土体非线性地震响应规律；（2）建立了土-隧道、土-地铁车站结构计算模型，计算分析了典型地下结构地震响应规律及其对周围场地土动力特性的影响；（3）建立了土-地表框架结构模型，计算分析了地表结构的地震响应规律，分析了基础提离对结构地震响应的影响；（4）建立了隧道-土体-地表框架结构以及地铁车站-土体-地表框架结构计算模型，与之前的计算结果进行对比分析，探讨了地下结构与地表临近结构地震响应的相互影响规律。试验研究部分包括：（1）完成了该复杂体系振动台模型试验的设计工作；（2）依次进行了自由场、土-地表框架模型、土-单柱、土-隧道、隧道-土-地表框架、隧道-土-单柱等6种工况的振动台模型试验。. 基于上述研究，初步得出如下结论：（1）Davidenkov模型能较好地描述软土模量衰减规律，可用于土体的非线性分析，但该模型没法考虑土体的塑性变形；（2）对于本项目中研究的对象（盾构隧道和地铁车站），其对场地土动力特性及地表临近结构地震响应的影响较小，主要是由于该典型地下结构的尺寸较小；（3）地表临近结构对地下结构有一定影响，特别是当地表结构偏置于地下结构一侧时；（4）反应位移法和反应加速度法均可用于地下结构的简化计算，其中反应位移法适合于工程设计人员，而反应加速度则更为合理。. 在国内地铁车辆段上盖物业大力开发的背景下，负责人认为本项目的研究成果对研究该类更大型、更复杂的地下结构-地表结构群地震响应的相互影响规律将提供参考，而且该类更大型、更复杂相互作用体系的影响效应也将更为显著。这也是负责人下一步拟深入开展研究的课题。