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开发利用地下空间资源是解决城市综合症的重要途径,已为社会各界所共识,并成为当今我国基础建设的一个方向。阪神地震中神户市地下结构的破坏警示人们,现有的地下结构并不安全,在地震中也有破坏的可能。发生强地震时,地下结构周围地基的变形较大,很可能致使地下结构的一些薄弱环节发生严重破坏,从而对地下结构的整体安全产生严重影响。鉴于地下结构自身特点,进行地下结构抗震分析时必需考虑土与结构的相互作用,而土体的边界效应、动力接触非线性和输入地震动特征等是进行土与结构的相互作用分析时必须考虑的重要影响因素。
为了真实地模拟强烈动力作用环境下土体.结构体系的响应,本文借助于大型通用有限元软件ANSYS对地震动作用下某地铁车站结构动力响应进行数值分析,研究了动力接触非线性及地震动输入对地下结构地震反应的影响。本文的主要工作及结论为:
(1)基于接触面对法和非线性数值波动分析方法,考虑土-结构界面接触效应和场地初始静应力影响,采用动力松弛法分析思路,建立了考虑土与结构接触效应的地下结构非线性地震反应分析模型和计算方法,并利用大型有限元软件ANSYS进行了求解,结果表明:土与结构接触效应对地下结构地震反应的影响较大,需在地下结构抗震分析中加以考虑。
(2)基于地下结构接触非线性分析模型和地震波斜入射的解析实现方法,进一步分析了地震动入射角度对地下结构接触非线性地震响应的影响。结果表明:无论是应力还是位移,地震动入射角度对地下结构的动力反应影响较大,在近源地震作用下进行地下结构动力响应时需要考虑地震动的非一致输入问题。
(3)分析了地震动振动输入求解模式和波动输入求解模式的区别,基于粘弹性人工边界,在有限元软件ANSYS中实现了一种考虑能量辐射的振动输入求解模式,并建立了地震动作用下地下结构的动力反应分析模型,采用了三种地震动输入模式:即加速度峰值为üg的地表加速度时程作为振动输入时程的标准振动输入模式(用Z代表)、自由场在波动输入方法下求得基岩处的加速度时程üα作为振动输入的基岩反演振动输入模式(用J代表)和由基岩处垂直输入地表加速度峰值的一半(1/2üg)对应位移时程的波动输入模式(用B代表)进行分析。结果表明:两种振动输入模式下结构部分节点地震反应相比波动输入模式有一定的差别。