基于子结构法的地铁车站地震反应分析.docx

基于子结构法的地铁车站地震反应分析摘要：对1995年日本阪神地震中地铁车站的破坏情况进行了调查，深入分析了地铁车站的地震破坏机理。采用二维子结构分析方法分别对水平向和竖向地震动作用下神户大开地铁车站的地震反应进行了数值模拟分析。在建模时把地铁车站上方的土体作为车站的附属结构，首先采用SHAKE91程序计算自由场土体的动剪切模量和阻尼比，在SASSI2000中不再考虑土体的非线性。将计算结果与1995年阪神地震中该车站的震害进行了详细地对比分析发现所得的地震反应规律与其震害完全吻合，其计算结果能够合理的解释神户大开地铁车站的各种震害现象。因此，对地下车站的抗震设计具有一定的参考价值和指导意义。关键词：地铁车站；子结构法；抗震设计；地震反应1前言以往人们普遍认为，地下结构具有较好的抗震性能，但全球范围内多次地震震害的破坏现象显示，在地震作用下现有的地下结构并不安全，有时甚至会发生严重的破坏，特别值得指出的是1995年级日本“阪神地震”，对神户市内地下结构造成了有史以来最严重的破坏，铁路、停车场、隧道、商业街等大量地下工程均发生严重破坏，其最引人注意的是地铁车站的破坏最为严重，在这次地震中，共有5个车站和约3km的地铁区间隧道发生破坏，其中大开车站最为严重，一半以上的中柱完全坍塌，导致顶板坍塌破坏和上覆土层的沉降，最大沉降量达m之多。据神户高速铁路公司报道，不计高架桥结构破坏造成的损失约为300亿日元，修复大开站需要100亿日元，修复隧道约180亿日元。目前关于地下结构抗震设计的主要方法为反应位移法，该方法由20世纪70年代日本学者提出[1]，该方法假定地下结构和周围地层之间通过各种弹簧连接，把由地震荷载引起的自由场变形直接通过文克尔土体弹簧作用于地下结构，把土体质点位移以正弦曲线的形式给出。这种简化模型的确给地下结构的抗震设计带来了很大的方便。但是，由于土体在地震作用下的动力特性非常复杂，又存在地区的差异性，因此很难准确地确定这种土体弹簧在地震荷载作用下的弹簧系数。同时，该方法没有考虑结构本身的惯性力，采用了拟静力计算方法，因此很难真实地反应地震时地下结构的响应。随后，有许多学者在反应位移法的基础上提出改进或类似的方法，如Shukla,Rizzo(1980年)提出了Shukla法，John,ZahrahTF(1987年)提出了ST.John法。相比而言，动力有限元分析方法考虑的更为全面，在Zienkiewicz等提出了动力有限元法后，Newmark、Wilson等分别提出的逐步积分法更是为动力有限元法的发展和应用提供了动力。近几年，JunSeongChoi等基于大型有限元软件ANSYS的计算平台，考虑结构与土体之间的分离和相对滑动，采用二维有限元整体分析方法对非线性土体-地下结构的动力相互作用进行了数值模拟，给出了矩形地下结构内由地震荷载引起的动内力分布图；HongbinHuo等基于ABAQUS有限元软件计算平台，考虑竖向地震和水平地震的共同作用，用无限元与有限元的耦合来考虑由有限空间代替无限半空间而引起的边界问题。本文基于JohnLysmer等提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法(美国伯克利大学开发的通用SASSI2000程序)，在建模上进行创新，分别考虑竖向地震和水平向地震作用下，对在1995年日本阪神地震中破坏最为严重的大开地铁车站进行了地震反应分析，对其震害作了深入的分析和探讨。2计算原理结构分析的子结构法最早是为解决飞机结构这类大型和复杂结构的有限元分析问题而建立起来的，而后才被用于共同作用分析。用子结构法计算土与结构的动力相互作用问题是一个非常简便的方法。在这个方法中，把线性的土与结构相互作用问题分解成一系列简单的子问题，对每个子问题分别求解，最后利用叠加原理把分析的结果建立联系，得出问题的最终整体解。处理土与结构之间相互作用的方法有很多，根据对土与结构接触面上结点自由度处理方法的不同，主要使用以下4种分析方法：刚性边界方法；柔性边界方法；柔性体法；子结构缩减法。JohnLysmer等提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法主要采用柔性体法和子结构缩减法，该方法主要适用于上部结构基础与土体的动力相互作用问题。本文采用子结构缩减法处理土与结构的动力相互作用，其基本概念如图1所示，其中图1为整个土与结构相互作用体系；图1(b)为子结构Ⅰ，也就是自由场；图1(c)为子结构Ⅱ，即为开挖土部分，这部分在开挖后由基础所取代；图1(d)为子结构Ⅲ，即上部结构部分。将3个子结构组合起来就形成了整个相互作用体系。在这个体系中，假定自由场与开挖土部分的相互作用仅发生在二者的接触节点上。图1(b)、图1(c)、图1(d)表示出了子结构法求解土与结构相互作用问题的基本概念。结构动力问题的基本运动方程式中[M]和[K]分别为结构的质量矩阵和