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研究背景：

城市地下空間的開發充分利用了城市空間資源，為人們的生活提供了極大的便利。然而，歷次大地震震害調查表明地下結構面臨較大的地震災害風險。國內外的研究學者針對著名的1995年阪神地震中大開車站地震破壞案例進行了大量的研究，然而大多數的研究都沒有實現對大開車站倒塌演化全過程的模擬；結構的承載能力通常具有一定的冗余度，某一結構構件實效會引起結構性能的退化，以往的研究中未給出大開車站性能退化過程，因此對于其破壞機理的解釋仍存在一定的局限性。本文給出了能夠重現地下結構倒塌過程的非線性時域數值模擬方法，重現了阪神大地震中大開車站的災變演化過程，并對由于中柱實效而引起的矩陣地下結構抗震性能退化機理進行了研究。

研究方法及結果：

1.本文首先提出了一個便于工程應用的三維土體彈塑性本構模型。本模型基于邊界面模型理論，在歸一化偏平面中建立投影法則給出應力狀態參量（見圖1）；采用土體材料模量與圍壓的經驗關系描述圍壓改變引起的土體模量變化；并根據偏應力不變量建立應力等效關系，將一維Pyke模型拓展到三維應力空間并以此推導塑形模量（見圖2）。

圖1 歸一化偏平面內的投影法則

圖2 應力等效關系

2.本文依據大開車站的震害調查資料，建立三維非線性有限元模型（見圖3），采用時域動力顯式有限元分析方法重現了大開車站在雙向地震動共同作用下的坍塌過程及其“M”型破壞模式（見圖4），給出了中柱混凝土實效演化過程（見圖5）。

（a） 場地條件

（b） 有限元網格
圖3 有限元模型

圖4 大開車站破壞模式

（a） 壓損傷

（b） 殘余強度
圖5 大開車站破壞模

3.根據數值模擬得到的結構變形演化過程（見圖6），可以將大開車站的破壞分為三個階段：I）中柱在水平和豎向地震動共同作用下失效；II）中柱承擔的上覆土和后續地震荷載向頂板轉移，并引起頂板混凝土損傷發育；III）頂板破壞沉降引起結構整體垮塌。通過對比有無中柱截面的地震變形模式（見圖7），可知結構幾何形狀(頂板和側壁的剛度比)對地下結構的地震響應有很大的影響；頂板的剛度大于側墻的剛度，有利于地下結構的抗震。

（a） 水平

（b） 豎向
圖6 頂板和底板間動相對變形

圖7 橫截面變形模式（放大20倍）

該成果發表在國際權威期刊《Tunnelling and Underground Space Technology》（Rui Dong, Liping Jing *, Yongqiang Li, Zhiyong Yin, Gang Wang, Kunpeng Xu. Seismic deformation mode transformation of rectangular underground structure caused by component failure, 2020, 98: 103298）（IF：4.450，*通訊作者）。