本文采用理论分析、模型试验和数值模拟手段,对地铁地下结构横截面简化抗震设计方法和地震反应特性进行了深入研究。参照强制边界位移法加载模型,自行研制了新型岩土工程静力推覆加载装置,基于该加载装置开展了土-地下结构体系水平单向推覆试验,并给出了静力计算时土体侧边位移施加形式的建议,结合地下结构有限元数值分析,对本文建议的方法进行了验证,同时对大开车站的地震坍塌现象进行了模拟。本文主要研究工作和成果如下:1.对地下结构横截面简化抗震设计方法进行了全面的对比分析。系统梳理了常见的七种地下结构横截面简化抗震设计方法,详细介绍了各种方法的计算原理、分析模型、参数获取、优缺点、适用性以及相关规范收录情况;以地下结构动力反应数值计算结果作为标准,检验了在不同埋深、结构刚度、土体刚度条件下,七种方法的计算误差,结果表明反应位移法精度最高,强制边界位移法会低估结构反应。2.借鉴强制边界位移法在土体侧边施加位移的加载模式,设计并完成了土-地下结构整体水平单向推覆试验。自主设计了两款岩土工程静力推覆加载装置,且依据“自平衡式反力架+封闭模型箱+两块箱内滑板”形式制作了相应的加载装置;分别制作了有、无中柱两个微粒混凝土矩形地下结构试验模型,并根据倒三角型位移模式进行了水平单向推覆试验,研究了地下结构在推覆作用下的受力机制、破坏模式以及剪应变衰减特性。试验结果解释了强制边界位移法中结构反应偏小的原因。3.采用有限元方法对土-地下结构整体水平单向推覆试验开展了数值模拟。首先采用试验结果校核了所建立数值模型的合理性,然后采用校核过的数值模型对左右滑板协调变形的工况进行模拟分析,数值计算表明左右滑板协调变形时地下结构产生剪切变形,且层间变形相比侧边滑板转角衰减了8.2%。改进后的边界位移法能够修正传统方法中侧边应变衰减问题,最后基于改进方法研究了三种位移分布形式的计算误差,根据误差分析结果,改进边界位移法中侧边位移推荐采用“各土层绝对峰值水平位移”的分布形式。4.采用有限元方法建立了日本大开地铁车站及区间隧道的三维有限元模型,分析了地铁车站和区间隧道的动力反应特性和灾变过程,并对地铁车站坍塌破坏的内在机理展开了深入研究,结果表明:地铁车站中柱的高轴压比限制了其侧向变形,地震时中柱侧向变形超过极限导致中柱竖向承载力丧失,进而引起车站破坏。据此,提出了使用方形钢管加固地铁车站中柱以增强其抗震能力的措施,并对车站加固后的抗震性能进行了数值分析。