【摘 要】
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近些年来,我国大力发展地下轨道交通,乘坐地铁已成为主要的出行方式,我国又属于地震频发国家,这导致地铁车站等地下结构的抗震安全问题受到广泛关注。现有的地下结构抗震研究中主要是考虑地震动从基岩垂直入射或者是在临界角以内的斜入射,实际上SV波作为地震动的一种主要形式,其存在临界角问题,SV波超临界角入射时,土层将产生不均匀波,近地表质点将以Rayleigh面波形式运动,并伴随更大的竖向地震作用。但是目前
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近些年来,我国大力发展地下轨道交通,乘坐地铁已成为主要的出行方式,我国又属于地震频发国家,这导致地铁车站等地下结构的抗震安全问题受到广泛关注。现有的地下结构抗震研究中主要是考虑地震动从基岩垂直入射或者是在临界角以内的斜入射,实际上SV波作为地震动的一种主要形式,其存在临界角问题,SV波超临界角入射时,土层将产生不均匀波,近地表质点将以Rayleigh面波形式运动,并伴随更大的竖向地震作用。但是目前笔者尚未发现有关实现SV波超临界角入射的方法,也未发现地铁车站抗震分析过程中考虑了SV波超临界角斜入射的研究。另一方面,由于车站的开发建设,其临近地上建筑的地基环境将发生改变,同时,受周边复杂建筑环境的影响,地铁车站周围地基也不是设计状态时的半无限层状地基。因此合理的考虑地震波斜入射并开展地震作用下地铁车站与邻近地上结构动力相互作用研究,对提高地下结构抗震安全性能有重要意义。本文基于层状地基频域内精确动力刚度矩阵推导了SV波任意角度斜入射下的自由场地震动响应,得到了粘弹性边界节点上的等效节点力,再通过ABAQUS有限元软件实现了层状地基任意角度斜入射SV波的地震的输入。通过与文献结果对比,验证了本文方法模拟任意角度斜入射SV波输入具有很高的精度。在此基础上,利用此方法在ABAQUS有限元软件中建立了任意角度斜入射SV波作用下Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地中地铁车站、地铁车站-土-地上框架结构有限元数值分析模型,研究了SV波任意角度斜入射下地铁车站地震动响应规律和地上框架结构-土-地铁车站相互作用响应规律。通过对结果进行分析得出了以下结论:（1）SV波超临界角入射对车站地震响应的影响与场地类别密切相关,在Ⅱ类Ⅲ类场地中表现出明显的放大作用。这种放大作用对于轴力最为明显,Ⅱ类场地中Kobe波35°角斜入射时车站边墙轴力是垂直入射时的3.61倍,Ⅲ类场地40°斜入射车站边墙轴力是垂直入射时的1.34倍,但Ⅳ类场地中El centro波45°斜入射车站中柱轴力是垂直入射时0.93倍。（2）地铁车站-土-地上结构抗震分析中必须考虑SV波斜入射情况,否则会严重低估车站的地震动响应。比如在Ⅳ场地Kobe波垂直入射作用下,车站和地上框架间距0m时,车站底层边墙,地铁车站-土-地上结构体系会比无地上结构工况的轴力大71%,30°斜入射时地铁车站-土-地上结构体系会比无地上结构工况的轴力大146%。另一方面,地铁车站-土-地上结构体系受30°斜入射地震作用车站边墙的轴力是垂直入射时车站边墙轴力的1.48倍。如果仅考虑SV波垂直入射无疑会大大低估车站边墙的轴力,Ⅱ类、Ⅲ类场地中也有类似情况。（3）相比于无地上框架时的车站弯矩和剪力,地铁车站-土-地上框架系统中,车站与框架的间距对车站弯矩和剪力影响很复杂,其弯矩和剪力会受到间距和入射角的影响,有时会大于无地上框架时车站的弯矩剪力,有时又会小于无地上框架时车站的弯矩剪力。但是对地铁车站的轴力基本规律是:地铁车站-土-地上结构体系的车站轴力大于土-地铁车站体系的车站轴力,这种地上结构存在增大地铁车站轴力的作用会随车站和地上框架间距增加而减小。同时这种放大作用也会随着地震波斜入射角度增加而减小。（4）地铁车站对地上框架结构变形影响与场地条件有关,Ⅱ类场地中框架与车站间距小于10m时,地铁车站对地上框架结构的变形具有放大的作用,最大可达16.5%（相比于无地铁车站工况）。超过10m时,则对地上框架变形为削弱作用。Ⅲ类场地中SV波0°、15°、40°斜入射时地铁车站对地上框架变形是起放大作用,30°、50°斜入射时即会出现放大作用也会出现削弱作用。Ⅳ类场地中主要是对地上框架变形起放大作用,车站与框架距离越近,放大倍数越大。
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