基于子结构法的地铁车站地震反应分析的论文

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1、基于子结构法的地铁车站地震反应分析的论文摘要：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（sassi2000）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

2、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7.2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

3、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2.5m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

4、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shuklad.k,rizzop.c(1980年)提出了shukla法[2]，johnp.ark（1959年）、er等[6]

5、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[7]。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

6、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：（1）刚性边界方法；（2）柔性边界方法；（3）柔性体法；（4）子结构缩减法。johnlysmer等[6]提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法（sassi2000）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（见图1，图中i表为土与结构接触面上的相互作用节点号，]

7、和[k]分别为结构的质量矩阵和刚度矩阵。将式(1)运用于土与结构相互作用问题中，则可得土与结构相互作用问题的基本运动方程：式中[m]为总质量矩阵；[k]为总刚度矩阵；{u}为所有节点的位移向量；{q}为所施加的动荷载或地震激励。通常，所记录到的地震动都是离散形式的，每个记录到的地震动都含有不同的频率分量，因此，荷载和位移向量可以用频率表示如下：式中ⅰ，ⅱ，ⅲ为指3个子结构的编号。方程式左边的频率复相关动刚度矩阵，是指从自由场和上部结构的动刚度矩阵中减去开挖土的动刚度矩阵后得到的。频率相关项xii为地

8、基阻抗系数，其他符号意义同图1。3计算模型及其参数的选择日本神户大开地铁车站始建于1962年，用明挖法构建，有两种断面形式，底板、中柱和侧墙为现浇钢筋混凝土结构，本文取混凝土的泊松比为0.15，重度为25kn/m3，弹性模量为3.0×104mpa。该车站的中柱间距为3.5m，大开车站结构所用混凝土的设计强度估算值为：轴心抗压强度为1.5×104kpa，弯曲抗压强度为1.65×104kpa，抗拉强度为1.5×103kpa。大开地铁车站上方覆土厚度在标准段为4～5m，为了