本文是一篇土木工程论文，本文基于典型的两层三跨地铁车站采用易损性分析的方法比较水平向地震动、竖直向地震动、水平-竖直地震动的破坏力，提出建议采用考虑竖直地震动的水平-竖直地震动共同作用进行非线性动力时程分析。
1 引言
1.1 背景
基础设施是人类社会可持续发展进程的重中之重，地下设施是现代社会基础设施的组成部分，应用范围广泛。随着工业和城市的发展，越来越多的地铁被修建，极大方便了人们的日常出行。地下建筑一直被认为是相对安全的，但是1995年阪神大地震给日本大开地铁车站带来了灾难性的破坏。现阶段地下结构的破坏揭示了当前抗震设计实践中的一些重要弱点[1]。结构与周围土壤之间的界面特性对体系的抗震性能有相当大的影响，完整的土-结构接触模型，复杂且耗时，却是地铁车站抗震模拟分析的最复杂、最精确的方法。地铁车站的抗震性能已经被多名学者研究过，尤其是在土-结构动力相互作用(Dynamic interaction of soil structure)研究领域，诸多学者们付出巨大努力并得到了很多成果。然而，地下结构与土体的地震相互作用的研究还相对缺乏。根据Iida等的研究结果，地下结构底板与顶板的相对位移对中心柱产生巨大的水平剪力，覆土通过对结构施加惯性力来影响结构响应，致使中柱成为地铁车站结构破坏的主要原因[2]。根据Huo等人的研究结果显示大剪切荷载和大轴向荷载的组合(由于跨度大)导致了柱的脆性剪切破坏[3]。这些成果给地下结构的抗震研究带来了一个新高潮。然而，由于地铁车站结构表面上的动压力是未知的，地铁车站的失效模式和过程仍不确定，覆土厚度对地铁车站结构响应的影响是不确定的，地铁车站的抗震性能和破坏机理有必要进行更深入的研究。模型试验可以来估计地铁地下结构的地震反应,但模型试验并不是解决这一问题的定量方法。此外，一些重要的影响因素在这些研究中没有得到有效的考虑，如土与结构接触面的动力接触行为、土体的非线性特性、不同地震烈度下的有限工作状态等。因此，由于地铁车站的地震破坏力学的认识不够全面，是约束地铁车站抗震设计的主要原因。
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1.2 研究现状与文献综述
1.2.1 地铁车站损伤分析
地震地面运动的变异特性对地铁车站结构地震需求有很大影响[5]，然而现阶段很少有学者研究不同土层下的地铁车站的结构反应。Zuo等[6]通过建立包含土动力模型与混凝土的塑性损伤模型的地铁车站结构模型，进行结构滞回能分析，证明了不同地震动的破坏情况是基本一致的，其次描述了结构的能量分布。这项结论可以很好的给本研究在分析中提供指导。袁航等[7]研究了地震作用下深厚软土场地中地铁车站结构的抗震性能、位移及应力。Zhuang Haiyang等[8]通过土-结静动力耦合模型即粘塑性本构模型进行数值模拟土体的强非线性特性，证明了软土地基大型地下结构在水平地震作用下会产生较大的竖向相对变形。赵伯明等[9]采用ANSYS-FLAC3D相结合的数值模拟方法对软土地区地铁车站进行三维数值模拟，发现底层中柱最容易破坏，还研究揭示了软土中地铁车站结构的破坏模式。赵宝友等[10]基于损伤力学原理，通过引入损伤变量的方法，采用无限元边界作为边界条件，对某地下结构开展研究。无限元的应用排除了土层边界处地震波的折射及反射的干扰，可以说更加能切合实际情况。Housner[11]提出基于能量的抗震设计思想，实现了能量与基于性能的抗震设计方法结合。地震动持续作用下，地铁车站进入弹塑性阶段，地震动的持时会对地铁车站的损伤产生很大的影响。对于持时较长的地震动，这种损伤影响会很大。江辉[12]以脉冲近场地震动为研究对象，探讨了地震输入能与单自由度体系非弹性变形的关系。王国福[13]分析了不同特性地震动作用下的隔震结构与非隔震结构的地震能输入、分布以及耗散规律。
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2 地铁车站地震动力分析方法与模型建立
2.1 有限元分析理论基础
2.1.1 有限元分析方法
数值方法是估算复杂地基下大型地下结构非线性地震反应的有效方法，包括：John法、Shukla法、福季耶娃法、反应位移法等，由于过于简化，模拟结构动态响应与损伤破坏不够精确。一些商业软件如：Permas、Nastran、Marc、Ansys、Adina、Dyna、LS-dyna、ABAQUS、Cosmos、Flac、Plax等具有很强的动力学分析功能，因此，可以通过解析方法研究地铁车站的抗震问题。以往对于地铁车站的动力时程分析通常采用二维模型，简化为二维平面应变问题，对于具有不规则纵向结构的地铁车站才需要采用三维模型。现阶段土-结构动力相互作用（SSI）问题主要分为两类：一类是土体与上部结构的相互作用，另一类是土体与下部结构的相互作用。本文涉及的问题属于后者，示意图如图2-1。土与地铁车站在地震作用下的反应取决于各自的性状和两者界面上的变形协调以及相互传递的作用力和反作用力。
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非线性时程分析是研究复杂地铁车站结构的地震分析的重要方法，一般借助于数值模拟方法实现，特点是成本低，可以提供加速度、位移等结构反应信息。有限元法是以变分原理为基础的数值计算方法，模拟和处理适用性较广且易于计算机软件实现。
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2.2 材料本构模型及参数
2.2.1 混凝土塑性损伤本构模型及基本参数
裂缝的萌生和扩展建模是混凝土结构失效分析的重要内容之一。混凝土的开裂过程不同于其他材料的开裂，如金属和玻璃，因为它不是新的自由表面的突然出现，而是微裂缝的持续形成和连接。微观裂纹的形成在宏观上表现为材料的软化行为，这种软化行为导致了结构内应变的局部化和重分布。混凝土的非线性力学行为能够观察到来自两个截然不同的微观结构变化,塑性流动与微裂隙和微孔的发展,塑性流动导致永久变形，是位错沿优先滑移面运动的顺序,由存在的剪应力控制。尽管滑移过程中原子间的键数几乎没有改变，弹性模量对这种微观结构变化不敏感。此外，微裂纹破坏了材料颗粒间的原子键，影响了材料的弹性性能，还可能导致材料的永久变形。这两个微观结构的变化解释了观察到的混凝土现象学行为，如：各向异性的刚度随应变的增加而退化、与强膨胀相关的不稳定峰后状态、滞后卸载循环、抗拉强度和抗压强度有显著差异、增加侧向约束下强度和表观延性的增强、特别是在解理模式中损伤的强方向性[48]。
通常用于描述混凝土的理论有塑性、连续损伤力学和断裂力学。有一些由实验证据支持的解释表明断裂力学不适用于混凝土[49-50]。塑性，也就是滑移理论，已成功地用于金属行为的建模，其中核心理论是假设内部重排列是滑移过程。塑性理论不能解释应变材料中微裂纹引起的损伤过程。因此，连续损伤力学的支持者反对使用塑性理论作为混凝土本构模型的研究工具，因为塑性不能描述所发生的损伤，也就是无法描述混凝土发生裂缝会造成其强度下降的现象。然而，连续损伤力学只关注描述由于微裂纹和微空洞的发展而导致的固体逐渐弱化，由于混凝土的非线性响应同时存在微裂缝扩展和塑性变形双重特性，因此本构模型应同时处理不可逆变化的两种截然不同的物理模式，应满足力学和热动力学的基本假设，在此前提下，假设混凝土是一个率无关、单相体材料，可以建模为一个连续体，仅限于无穷小的变形，在一般公式中，建立了两个表面，即塑性表面和损伤表面，结合热力学第二定律，以内部耗散的形式表示，同时调用两个表面，得到塑性应变和损伤引起的附加应变。
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3 水平-竖直地震动共同作用下地铁车站地震损伤分析 .................................. 36
3.1 地铁车站人工边界条件比较及损伤演化 ................................... 36
3.2 软土地区地铁车站底层中柱能量损伤分析 .......................... 40
3.3 本章小结 ................................. 47
4 不同方向地震动作用下地铁车站易损性分析 ................... 48
4.1 易损性分析基础 .................................. 48
4.1.1 易损性分析背景 ................................. 48
4.1.2 参数选取 ......................... 50
5 水平-竖直地震动共同作用下地铁车站影响因素探讨 .............. 63
5.1 研究背景 .......................... 63
5.2 水平-竖直地震动共同作用下地铁车站影响因素敏感性分析 ................ 63
6 水平-竖直地震动共同作用软土地区地铁车站易损性分析
6.1 水平-竖直地震作用下软土地区地铁车站易损性研究
6.1.1 软土地区地铁车站研究背景
软土在我国东部沿海地区分布较广泛，由于沿江、沿湖和沿海地区特殊的水环境极易形成软土，沿河地区又是城市聚集，存在大量的地铁车站结构，软土动力特性如：软土的变形大、动力敏感性和震陷等特性造成承载力低，其动力特性由于形成原因各不相同，软土场地在地震作用下会表现非线性、滞后性及变形累积特性。软土作为特殊土为工程建设带来困难，但是软土的研究是沿海、沿河地区工程建设不可避免的问题。因此本节选择南京地区软土作为主要研究对象。
6.1.2 水平-竖直地震动共同作用下软土地区地铁车站易损性曲线
本章节采用前文第二章中选出的12条地震动记录，均包含水平向与竖直向地震动记录，基于前面易损性分析结果，将其沿地铁车站底部水平向与竖直向同时进行输入，分析地铁车站结构在水平-竖直地震动共同作用下的概率响应。模型采用二维模型，见图6-1。假设地铁车站的埋深为10 m，考虑动力时程下土体的力学性质，土层参数参考庄海洋教授[94]关于软土记忆型粘塑性嵌套面动力本构模型介绍的土层进行易损性分析，泊松比统一取0.49，土层参数见表6-1。
土木工程论文参考
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7 结论与展望
7.1 结论
本文基于典型的两层三跨地铁车站采用易损性分析的方法比较水平向地震动、竖直向地震动、水平-竖直地震动的破坏力，提出建议采用考虑竖直地震动的水平-竖直地震动共同作用进行非线性动力时程分析。全文总结如下。
(1)本文采用无限元边界及等效线性化的土层建模对典型两层三跨地铁车站开展水平-竖直地震动共同作用下的损伤研究，分析了软土地区地铁车站的能量损伤。结果表明：地铁车站中柱是抗震分析中的关键部位；考虑水平-竖直地震动共同作用时地铁车站的损伤比仅考虑水平地震动作用时更严重；分析了软土地区地铁车站的能量耗散，表明耗散能的损伤时程关系可以较好地反映结构的损伤情况。
(2)本文开展不同方向地震动作用下典型两层三跨地铁车站的易损性分析。结果表明：竖直向地震动具有较高的超越概率，水平-竖直地震动共同作用的超越概率最高，上部结构的存在对竖直向地震动的超越概率有一定的抑制作用，改变了地铁车站的破坏模式；建议在进行非线性动力分析时考虑竖直向地震动的影响。
(3)本文依据正交试验分析了水平-竖直地震动共同作用时埋深、土质、上部结构的存在与否对地铁车站底部中点位移响应的影响程度，结果表明：埋深对地铁车站的位移响应影响属于高度显著，其次是土质，上部结构对地铁车站的影响并不显著；基于均匀试验设计采用回归分析的方法分析了不同土层参数与地铁车站最大位移响应的相关关系，结果表明：土层的弹性模量、内摩擦角、粘聚力与最大位移响应成负相关关系，密度与泊松比与最大位移响应成正相关关系。
参考文献（略）