通过振动台试验和数值模拟研究隧道-土体-框架结构系统的地震动力破坏行为

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Study on seismic dynamic failure of tunnel-soil-frame structure system through shaking table test and numerical simulation

研究采用振动台试验与ABAQUS三维有限元模型，分析地下隧道与地面框架结构在地震作用下的动态耦合效应，发现系统显著改变地震波传播路径和能量分布，地面框架近场耗能降低峰值加速度2.75%，隧道导致远场非均匀放大（影响范围达结构宽度33.3倍），结构内力分布和层间位移角呈现显著空间差异。

　　在城市化进程不断推进的背景下，地下结构与地面建筑之间的相互作用已成为地震工程研究中的一个重要议题。尤其是在地震活跃区域，地面建筑和地下设施共同构成了一个复杂的三维结构-土壤-结构相互作用（SSSI）系统。这种系统的动态响应特性不仅影响地面结构的安全性，也对地下结构的稳定性产生深远影响。因此，研究地下结构、土壤以及地面结构之间的耦合效应，对于提升城市区域的抗震能力具有重要意义。

本研究以郑州地铁工程为背景，通过地震振动台试验与三维数值模拟相结合的方法，系统分析了隧道-土壤-框架结构系统的动态响应特性。试验场地的原型地层主要由第四纪粉质黏土和粉土组成，具有高水位、均质层理和显著渗透性的特点，反映了典型的浅层城市埋藏条件。实验中，隧道与地面建筑横向交叉，构建了一个复杂的结构-土壤-结构系统，模拟了真实城市环境中可能遇到的地震作用场景。

研究团队采用ABAQUS软件建立了与试验模型相匹配的三维有限元模型，详细描述了材料属性，并选择了雷利阻尼（Rayleigh damping）作为模拟中的阻尼模型。雷利阻尼因其计算简便、适用性广、计算效率高和精度良好，被广泛应用于地震分析和数值模拟中。通过这种方式，模型能够更真实地反映实际地震作用下结构-土壤-结构系统的动态响应。

为了全面评估系统在地震作用下的性能，研究选取了四种典型工况和三种代表性地震动输入。通过对隧道和框架结构的关键响应参数，如加速度、剪力、弯矩以及层间位移角的系统分析，研究揭示了地面结构与地下结构之间强烈的动态耦合效应。结果显示，这种耦合不仅改变了地震波的传播路径，还显著影响了地震能量的分布模式，呈现出“近场衰减、远场放大”的特征，其影响范围可达结构宽度的33.3倍。

在近场区域，地面框架结构对地震能量起到了一定的耗散作用，使得地震动的峰值加速度减少了2.75%，同时延缓了地震波在86米和92米范围内的放大效应。然而，在远场区域，隧道结构则表现出非均匀的地震动放大效应。当存在地面结构时，隧道的加速度响应变得更加空间分布不均，特别是在中心区域，其峰值响应增加了5%，表明地震波路径扰动对局部结构产生显著影响。

在内部力方面，研究发现，当没有地面框架结构时，隧道表现出明显的非线性响应，其峰值剪力和弯矩分别达到±4×10^4 N和±1×10^5 N·m，显示出潜在的薄弱部位。然而，当地面框架结构存在时，虽然隧道的峰值剪力增加至±1.2×10^5 N，但力的分布更加均匀，且响应时间有所延迟，这反映了地面结构对地震能量的“储存-释放”效应，从而缓解了地震对隧道结构的冲击。

此外，研究还发现，地面结构的层间位移角受到隧道结构的影响。在地震作用下，地面结构的最大层间位移角从0.021%增加至0.030%，呈现出“底部大、顶部小”的分布模式，表明下部结构的刚度有所降低，软层效应被增强。这一现象对地面结构的抗震设计提出了新的挑战，尤其是在考虑结构整体性与局部性相互作用时。

通过对比分析三种代表性地震动输入，研究进一步揭示了地震频率对系统响应的影响。在RSN32地震动输入下，低阶模态的共振效应导致底部结构响应显著增加，并且不同输入地震动之间响应的差异性更加明显。这表明，系统对地震频率具有较高的敏感性，尤其是在地震动输入与结构固有频率匹配时，可能会引发更大的破坏风险。

本研究的发现不仅深化了对结构-土壤-结构相互作用机制的理解，也为复杂多结构系统的抗震设计提供了新的视角。在高密度城市区域，地下结构与地面结构之间的相互作用往往更加复杂，传统的抗震设计方法可能无法全面考虑这种耦合效应。因此，研究提出，未来的抗震设计需要更加注重结构与土壤之间的相互影响，尤其是在地震波传播路径和能量分布方面。

从工程实践的角度来看，本研究的成果对于地铁站、隧道等地下结构的抗震评估具有重要的参考价值。通过对不同工况和地震动输入的对比分析，研究提供了关于如何优化地面结构与地下结构之间相互作用的实用建议。例如，地面框架结构的存在可以有效降低地震波在远场区域的放大效应，从而减少隧道结构的局部破坏风险。同时，研究还强调了地震频率对系统响应的影响，提示在地震设计中应充分考虑地震动的频谱特性，以避免因共振效应而导致的结构损伤。

此外，本研究还对预制和现浇地铁站的地震破坏评估提供了支持。通过对试验数据的分析，研究揭示了预制和现浇结构在地震作用下的不同表现，这有助于优化不同类型的地下结构设计，提高其在地震条件下的适应性和安全性。同时，研究还为未来地下空间的开发提供了实践指导，特别是在风险评估和结构韧性提升方面。

总体而言，本研究通过结合实验与数值模拟的方法，系统分析了隧道-土壤-框架结构系统的动态响应特性，揭示了地面结构与地下结构之间复杂的相互作用机制。研究结果表明，结构-土壤-结构相互作用在地震作用下对系统的整体响应具有重要影响，特别是在地震波传播、能量分布以及局部结构响应方面。这些发现为高密度城市区域的抗震设计提供了新的理论支持和实践依据，有助于提升地下结构与地面结构在地震条件下的协同抗震能力。

在实际工程应用中，地震波传播路径和能量分布的复杂性要求设计者在抗震分析中采用更加精细化的方法。传统的抗震设计往往基于单一结构或简化模型，而忽视了结构与土壤之间的动态耦合效应。本研究通过引入三维数值模拟，能够更全面地反映地震波在复杂地质条件下的传播路径，以及地面结构对地下结构的反馈作用。这种综合分析方法不仅提高了地震响应预测的准确性，也为结构设计提供了更加科学的依据。

研究还指出，地下结构与地面结构之间的相互作用可能对地震波的传播产生显著影响，进而改变地震动在不同区域的分布模式。这种影响在高密度城市环境中尤为明显，因为地面建筑和地下设施的密集分布会形成复杂的地震波传播路径。因此，在抗震设计中，应充分考虑这些因素，以确保整个系统的抗震性能。

从技术角度来看，本研究采用了先进的三维有限元建模技术，结合了实际地震试验数据，为复杂结构系统的抗震分析提供了可靠的数值工具。这种工具能够帮助工程师更直观地理解地震作用下结构-土壤-结构系统的响应模式，从而优化设计策略，提高结构的安全性。同时，研究还强调了地震频率对系统响应的影响，提示在地震动输入设计中应充分考虑地震波的频谱特性，以避免因共振效应而导致的结构损伤。

本研究的成果不仅有助于提升现有地下结构的抗震性能，也为未来地下空间的开发提供了新的思路。在城市地下空间日益扩展的背景下，如何在保证结构安全的前提下，合理利用地下空间，成为城市规划和建设的重要课题。通过深入研究结构-土壤-结构系统的相互作用，可以为地下空间的合理布局和抗震设计提供科学支持，从而推动城市地下空间的可持续发展。

在研究方法上，本研究采用了一种综合性的分析框架，将实验与数值模拟相结合，以确保研究结果的准确性和可靠性。实验部分通过实际地震振动台试验，获取了结构在地震作用下的真实响应数据，而数值模拟则通过三维有限元模型，对这些数据进行了进一步的验证和扩展。这种混合研究方法不仅提高了研究的深度，也增强了结果的工程适用性。

研究还强调了多结构系统的耦合效应，指出在高密度城市环境中，地下结构与地面结构之间的相互作用往往更加复杂。传统的抗震设计方法可能无法充分考虑这种多结构耦合效应，导致设计结果与实际响应之间存在偏差。因此，研究建议在未来的抗震设计中，应更加注重多结构系统的整体分析，以提高结构的抗震能力和安全性。

在实际应用中，研究的发现可以为城市基础设施的抗震设计提供重要参考。例如，在地铁站、隧道等地下结构的设计中，应充分考虑地面结构对地震波传播路径和能量分布的影响，以优化结构布局和抗震措施。此外，研究还提示了地震频率对系统响应的影响，建议在地震动输入设计中，应结合实际地震数据，合理选择地震动输入参数，以避免因频率匹配而导致的结构共振效应。

从长远来看，本研究的成果有助于推动地震工程领域的理论发展和技术创新。随着城市化进程的加快，地下结构与地面结构的相互作用问题将变得更加突出。因此，深入研究这种相互作用机制，不仅有助于提升现有工程的安全性，也为未来地下空间的开发和利用提供了科学依据和技术支持。

总之，本研究通过实验与数值模拟的结合，揭示了隧道-土壤-框架结构系统的动态响应特性，为地震工程领域的研究和实践提供了新的视角和方法。研究结果表明，结构-土壤-结构相互作用在地震作用下对系统的整体响应具有重要影响，特别是在地震波传播、能量分布以及局部结构响应方面。这些发现不仅深化了对地震作用下结构相互作用机制的理解，也为高密度城市区域的抗震设计提供了重要的理论支持和实践依据。