1.目的及意义

1.1引言

随着城市的快速发展，又局限于地表空间资源的有限性，人们不断地开发和利用地下空间以满足不同的社会需求，越来越多的城市轨道交通系统，地下隧道，埋地管线以及综合管廊系统开始出现，近些年来，根据相关的城市地下结构的震害现象，人们对这些生命线工程的重要组成部分的抗震设计给予了更多的关注。与地表结构的地震响应不同，地下结构由于受到周围土体的约束，一般不表现自振特性，即受惯性力的影响较小，地基土的变形是地下结构震害的主要原因，因此为了了解地下结构在地震作用下的响应，研究土体的地震响应是基础。另外，这些地下结构的轴线长度较大，地下车站的长度通常在200-400米左右，地下管线和隧道更长，这与地震波波长大体接近，且大部分存在于软土介质中，对于这些大尺度结构，由于地震波在传播并入射到结构过程中所导致的行波效应，部分相干效应，衰减效应以及局部场地效应都比较显著，因而使得地震动在空间的分布上具有较明显的差异，因此对于大尺度结构物的地震反应分析需要考虑这种空间的非一致性特征。

1.2国内外研究现状

土体和地下结构在非一致地震激励下的响应分析主要涉及到两个方面的内容：一是非一致地震动的合成和输入，二是考虑土-结构相互作用（SSI）的数值分析模型的建立，以下是国内外研究现状的概述。

国内已有一些学者对此进行了研究，如何伟，陈健云^[1]针对大尺度结构受到的地震动在空间上具有明显的差异的问题，首先详细阐述了基于设计反应谱合成空间相关多点地震波的方法，再分别建立了位于三种场地中的地铁车站三维有限元模型，并分析了一致与非一致地震动输入情况下该地铁车站的地震响应特征，结果表明：在软土场地中，地震动的非一致性对结构的动力响应影响较大，在中等和硬土中影响较小，一般可以忽略。刘晶波，李彬^[2]根据我国地铁地下结构抗震分析方法尚不完善的问题，在分析我国地铁等地下结构抗震研究及设计方法的基础上，重点阐述了迫切需要解决的五个关键问题。田仲业，楼梦麟^[3]首先简要地说明了大跨度结构在抗震分析中的特点以及目前常用的计算大跨度结构多点激励地震反应的三种方法，然后详细地论述了近年来大跨度结构多点地震激励反应谱分析方法的国内外研究现状，最后对该领域的发展方向以及进一步深入研究时所需要注意的问题进行了初步的探讨。张石磊，陈少峰等^[4]根据大跨度结构受到地震动空间非一致性的影响较大这一特点，结合大跨度桥梁的抗震设计，系统地探讨了人工地震动合成理论，合成了多点激励人工地震动记录，并采用“精确”积分权函数算法对人工地震记录进行了修正，解决了积分速度和位移时程曲线尾部漂移问题。刘先明，叶继红等^[5]根据大跨度空间网格结构的特点，忽略拟静力反应项与动力反应项的耦合项，提出了多点输入反应谱计算的简化方法。通过数值计算表明，简化方法是可行的，既减少了计算工作量，又保证了计算精度。最后采用多点输入时程分析法和多点输入反应谱法，计算了哈工大体育场罩蓬的地震反应，计算结果证实了多点输入反应谱理论的正确性。潘旦光，楼梦麟等^[6]为考虑强震下土层反应的非线性及地震波的空间变化特性，基于直接迭代法和逐步积分法提出多点输入非线性分析的一种增量迭代格式，从而建立土层多点输入地震反应非线性分析方法。同时采用试管因子的试算迭代法，在不降低计算精度的基础上，减少计算时间，编制了可进行一致输入和多点输入的非线性和等价线性化分析的有限元程序，计算结果表明，对于重大结构有进行多点输入地震反应分析的必要。苏亮，董石麟^[7]首先就多点输入下结构地震反应的分析方法介绍了国内外的研究现状，然后阐述了近年来在多点输入对建筑结构地震反应影响的研究中已取得的一些成果和结论，最后对空间结构领域内考虑多点输入影响的研究问题提出了一些见解。吴祚菊，张力等^[8]为了研究考虑地震动的空间相关性时埋地管线的地震响应，基于Opensees有限元程序，对埋地管线在多维多点相关地震动作用下的响应进行数值模拟，结果表明：随着地震强度增强，在一致激励下安全的埋地管线在考虑非一致激励时变得不安全，所以在抗震设防等级较高的地区，考虑非一致地震激励作用对于埋地管线的破坏是必要的。柳国环，陆新征^[9]对基岩地震动输入的适用性和SSI计算模型的合理性进行研究，基于已有基岩地震谱表达式，采用数值方法修正高频过滤函数，得到适用于我国目标场地的基岩地震谱，并提出采用无质量刚性元（MRE）法解决目前位移输入的SSI计算模型中存在的因单元尺寸划分逐步精细而导致的不收敛问题，最后对一算例进行分析，结果表明采用MRE法解决SSI计算模型的可行性。张如林，楼梦麟^[10]根据地震波斜入射作用对场地地震反应影响较大，认为有必要研究地震波的斜入射问题。因此通过波场分解，在人工边界上施加等效荷载实现斜入射地震波作用的输入，借助MATLAB辅助计算程序和FLAC3D的前后处理功能，进行不同角度（0°和30°）入射条件下SV波作用的时域数值模拟计算，数值解和理论解吻合较好。算例表明，建立的数值模拟方法为土层场地和土-结构动力相互作用在地震波斜入射下的反应分析提供了简单易行的计算途径。柳国环，陆新征等^[11]推导了能够反应包含多个土层过滤效应的传递函数，基于此得到适用于我国目标场地的基岩地震谱，进而通过分区建立的局部场地整体传递函数反映了不同场地土之间的差异性，然后结合前人工作形成了适用于我国目标场地的基于震源机制，且考虑场地土差异效应的多点地震动的具体生成途径。李海波，朱莅等^[12]阐述了人工合成考虑空间非一致性的多点地震动加速度时程步骤，提供合理的空间非一致地震动输入，然后建立一大型地下洞室群的三维数值计算模型，分析一致与非一致两种地震动输入情况下该地下洞室群的地震响应特征，结果表明地震波幅值对地下洞室的地震响应具有决定性作用，在地震幅值较小时，地震动的空间非一致性未对地下洞室的破坏产生不利影响。赵宝友，马震岳等^[13]通过对长轴线大型岩体地下洞室在不同地震动幅值的一致激励和行波激励作用下的动力非线性响应的研究，结果表明：对于具有同一频谱特性的地震动而言，地震动幅值对于地下洞室的地震响应起决定性作用。当地震动幅值小于0.1g时，行波效应对地下洞室的地震反应影响不大，当地震动幅值大于0.2g时，行波效应会显著增大地下洞室的损伤破坏。这与李海波，朱莅等^[12]得出的结论是一致的。李鹏，宋二祥^[14]针对非一致地震作用下隧道纵向的地震反应研究较少，有关理论和方法尚不完善的问题，提出一种用于时域内进行隧道纵向非一致地震反应的数值分析方法，通过一维化算法计算自由场反应，并拓展至三维，建立地基土－隧道结构非一致地震反应计算模型，实现了非一致地震输入条件下自由波场的数值模拟并通过具体算例验证了该方法的有效性。李杰，陈原^[15-16]针对由统计方法得到的模型强烈依赖于实际密集台阵场地而与工程应用脱节的问题，将随机振动的虚拟激励原理与工程波动理论散射问题的求解方法相结合,建立了开放系统中非一致激励条件下工程场地地震动随机场的数值模拟方法，并对所提出方法的合理性和稳定性进行了探讨，验证了方法的正确性，可以方便地获得场地波动观测量之间的谱密度矩阵，并给出了工程场地的地震动相干函数。还将该方法应用于具有非一致随机激励的复杂工程场地的地震动相干函数分析之中,讨论了受局部场地条件影响的地震动相干函数的若干特征，进一步证明了其合理性。

国外的部分研究成果如下：Henri和Bryce^[17]提出了利用与地面运动记录样本相匹配的谱来生成双轴地震地面运动时程的统计模型，模型参数定义了近场特性，如脉冲速度和脉冲周期，远场特性，如速度振幅和功率谱密度以及包络特性。Youssef和Jeffrey等^[18]对地下结构抗震分析和设计现状进行了总结，并描述了在工程中量化地下结构的地震效应时使用的方法以及评估确定性和概率性地震的危险性分析方法。Wen和Kiat等^[19]通过考虑空间非一致性的地震动输入的土-结构相互作用的案例分析，将其与一致地震动输入情况下的最大地震响应值进行对比，结果表明，对于处在坚硬场地上的大尺度结构，在非一致地震激励下的最大地震响应值以及在高频率处的加速度反应谱峰值比一致地震激励下的低，并且加速度反应谱幅值随频率的增加，其减少量可达20%-50%。Duhee Park和Myung Sagong等^[20]研究了空间变化的地面运动对地下隧道响应的影响，提出了一种新的在空间变化的地面运动的作用下，地下隧道的响应的模拟方法。Aspasia Zerva和Vassilios Zervas^[21]介绍了所记录数据的空间相干性估计及其解释，描述了一些经验和半经验的相干性模型，并讨论了他们在物理原因方面的有效性和局限性，描述了将地震运动的空间变化看作是围绕相对运动的相干近似记录的数据的振幅和相位的偏差的另一种方法。还介绍比较了用于产生人造空间变化地震地面运动的模拟技术，强调了相干性对延伸结构的地震响应的影响。Yong Yuan和 Haitao Yu^[22]等提出了一种验证性实验方法，用于长隧道受到非一致激励，即使用四个独立的振动台作为一个大型线性振动台阵列协调工作，并通过一系列的测试证明了其有效性。Haitao Yu和Yong Yuan^[23]等为港珠澳联动（HMZ联动）设计的长沉浸式隧道进行了一系列多点振动台试验，结果表明，与一致激励相比，非一致地震激励显著加剧浸没接头的延伸，因此在沉浸隧道的设计中应考虑到非一致地震效应的影响。Xiao Yan和Juyun Yuan^[24]等介绍了用于估计港珠澳大桥（HZM）桥梁工程沉管隧道地震反应的四十米长模型的设计，通过数值分析和实验结果的对比，证明了该模型设计的合理性。

由上述论述可以看出，目前对土-结构非一致地震响应的研究大都局限于单一的地基土分布情况，而对复杂的多层地基土条件下以及不同土参数下的非一致地震响应的研究较少，因此，本文将针对这些问题进行研究。

2. 研究的基本内容与方案

2．研究的基本内容、目标、拟采用的研究分析方法

2.1研究内容