基于综合简化地震分析方法的地上结构与地下结构一体化结构的抗震性能

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance of the superstructure-integrated underground structure based on the integrated simplified seismic analysis method

针对超结构整合地下结构（SIUS）地震响应复杂性，提出集成简化地震分析方法（IPA），通过动态时程分析验证其适用于不同地震强度与土质条件，并揭示地下、地上及界面区域的地震性能曲线与阈值，为大型城市地下结构抗震评估提供理论依据。

　　

邱大鹏|王雅月|王天子|陈云娟|林东叶

山东建筑大学土木工程学院，中国济南

摘要

在地面建筑物下方开发大型地下框架结构已成为一种常见的结构改造形式，这种结构被称为上部结构与地下结构一体化的结构（SIUS）。SIUS中地面部分和地下部分的地震响应存在显著差异，整个SIUS的抗震性能仍不明确。动态时程分析（DTHA）方法计算成本较高且实际应用性有限，而最初为单独的地面结构或地下结构开发的简化地震分析方法不能直接用于SIUS。因此，提出了一种综合简化地震分析方法（IPA），该方法同时考虑了地面结构的惯性振动和周围土壤的强迫位移。基于DTHA的结果，本文验证了IPA方法在不同地震强度和土壤条件下降描述SIUS地震响应的可靠性和适用性，并揭示了SIUS不同区域的地震损伤机制。此外，还得到了地面部分、地下部分以及地面-地下界面区域的完整周期地震性能曲线，并确定了不同性能状态的阈值。结果表明，IPA方法能够准确捕捉SIUS中地面部分和地下部分的地震响应特征。定量误差分析表明，IPA方法在各种地震强度和土壤条件下均表现出良好的适用性和计算精度。基于IPA方法，可以准确高效地获得SIUS不同区域的地震性能曲线。本研究为评估大型城市地下结构的抗震性能提供了理论基础。

引言

中国位于欧亚地震带和环太平洋火山带的交汇处，这两个地区地震频发。因此，确保城市基础设施的抗震安全性对于保护人民生命和财产、促进城市可持续发展和维护社会稳定至关重要[1,2]。现有研究表明，结构在地震激励下的惯性振动是其地震响应特征的主要决定因素[3,4]。相比之下，地下结构主要嵌入在土层中，其地震响应受周围土壤变形的显著影响[5],[6],[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14]。Tsinidis[15]研究了软土中矩形隧道在横向震动下的地震响应，发现土壤变形控制了隧道的内力和变形。Abate等人[16]研究了土壤非均质性对隧道衬砌力的影响，发现土壤性质的变化显著影响内力的分布和大小。Shen等人[17]表明，可液化夹层会放大土盾隧道系统的地震响应，强调了土壤分层的重要性。Zhuang等人[18,19]表明，分层软土会显著放大结构的地震响应，突出了软土条件下土-结构相互作用的重要性。近年来，随着城市快速发展，地上和地下空间的结合利用已成为支持现代城市可持续增长的重要方式[20]。为了满足日益增长的交通和日常活动需求，通常在住宅或办公楼下方建造大型地下车库。这种结构形式逐渐发展成为中国城市中的上部结构与地下结构一体化的结构（SIUS）。在SIUS中，地面部分和地下部分通过连接组件直接相连，形成一个整体结构系统[21]。在地震作用下，SIUS受到地面部分的惯性振动和作用在地下部分上的周围土壤变形的共同影响，这种复合效应使得SIUS的地震响应和性能比传统的单独地面或地下结构更为复杂[22],[23],[24],[25]。

作为结构地震研究中广泛认可的方法，DTHA方法具有明确的理论基础，能够提供相对准确的结果。它常用于模拟地下和地面结构的地震响应。然而，对于具有复杂配置的大规模土-结构相互作用系统，DTHA方法需要较高的计算成本，因此在工程实践中的应用面临挑战[4]。此外，单次DTHA案例中考虑的地震强度和场地条件有限，这使得仅使用该方法难以获得SIUS整个生命周期的通用地震性能曲线[21]。因此，许多研究集中在简化地震分析方法上，以研究结构的地震响应和性能。对于地面结构，已经开发并广泛使用了经典方法，如反应谱分析[26]、推覆分析[27]和模态推覆分析[4]。对于地下结构，研究人员主要关注周围土层的影响，并提出了简化方法，如柔度系数法[28]、反力位移法[29]、地下结构的推覆分析方法[30],[31],[32]以及地下结构的反应谱方法[33,34]。然而，这些方法往往忽略了地下结构的振动特性，通常假设结构加速度跟随周围土壤的加速度[35,36]。这种假设适用于截面较小且形状较长的地下结构，但显然不适用于结构振动效应显著的SIUS[25]。在地震过程中，SIUS的地面部分主要经历惯性振动，而地下部分主要受到土壤变形引起的强迫位移。因此，两部分的地震机制不同。基于地面部分和地下部分的地震作用和响应特征，本研究提出了SIUS的IPA方法，结果表明所提出的方法能够以满意的精度捕捉SIUS的地震响应特征[37]。然而，IPA方法在不同地震特性和场地条件下的适用性尚未得到充分检验[37]。因此，进一步研究IPA方法的适用性对于更全面理解SIUS的地震响应特征和影响因素具有重要意义。

同时，关于SIUS抗震性能的研究尚未完全成熟。目前，地面结构的抗震性能研究已逐渐发展成为一个相对完整的体系，层间位移比（IDR）已被广泛接受为评估结构抗震性能的重要指标。不同阶段的相应性能状态和阈值也已初步确定[38]。然而，关于地下结构的抗震性能研究较为有限，许多现有研究直接采用用于地面结构的评估方法，例如将IDR作为评估地下结构抗震性能的指标[6,39,40]。Liu等人[41]对地下结构的破坏特性进行了详细研究，他们指出，由于上覆土壤和周围土层的影响，地面结构和地下结构的抗震性能存在明显差异。因此，通常用于地面结构的性能阈值并不完全适用于地下结构。对于同时包含地面和地下部分的SIUS，其抗震性能更为复杂[21,42]。一方面，SIUS在复杂地震作用下的地震响应特征尚未完全理解，结构的脆弱区域和关键部件尚未明确识别。另一方面，SIUS在不同地震输入和场地条件下的地震响应模式尚未完全阐明，这限制了通用抗震性能评估方法的发展。此外，SIUS不同区域的约束条件和地震作用形式差异显著，需要分别确定典型结构区域的抗震性能状态阈值。因此，有必要系统研究SIUS不同区域在各种地震强度和场地条件下的地震响应特征，建立SIUS的通用完整周期地震性能曲线，并准确确定相应的性能状态阈值。

本文建立了一个基于中国典型住宅建筑和地下停车场组成的SIUS的二维数值分析模型。为了确保动态计算的准确性，采用了适当的波输入方法和粘弹性人工边界，并根据实际场地条件选择了多种地震地面运动作为输入。首先介绍了IPA的技术程序和基本原理。随后，验证了IPA方法在各种地震强度和场地条件下的可靠性和适用性。在此基础上，使用IPA方法推导了地面部分、地下部分以及地面-地下界面区域在各种工作条件下的地震性能曲线，并明确了每个区域的相应地震性能状态和阈值。本研究为大型城市地下结构的抗震性能评估提供了理论支持。

部分摘录

SIUS简介

在ABAQUS中建立了一个二维有限元模型，用于研究SIUS的地震响应[37,43]。SIUS是由地面部分和地下部分组成的整体结构。地下部分上方布置了2米高的上覆土壤。地下结构水平布置，共有18个跨度，总长度为134.4米，包括4个中间跨度（每个跨度4.2米）和两侧各7个跨度（每个跨度8.4米）。

SIUS的模态分析

在进行地震响应分析之前，首先对土壤-SIUS系统进行了模态分析。根据模态参与系数（MPC）和有效质量系数（EMC）的计算[4]，选择了系统的四个主导振动模式进行本研究。MPC表示给定振动模式的比率，通过将相关坐标乘积之和除以相应的模态质量得到。MPC越大，表示

代表性地震强度下SIUS的地震响应

根据中国规范[50]，PGA值0.05 g、0.20 g和0.40 g分别对应6级、8级和9级的地震预防强度，它们分别对应于频繁地震、设计地震和罕见地震。因此，采用PGA值0.05 g、0.20 g和0.40 g分别代表轻微、中等和严重的地震水平。以DTHA方法获得的结果作为参考标准。

抗震性能状态阈值的确定

在本研究中，采用了Feng等人提出的“最远点法”来确定结构的不同性能状态阈值[53]。该方法通过确定距离原点和峰值点连线最远的点作为屈服点，从而避免了初始刚度的不确定性并减少了经验上的任意性。它提供了一个清晰且可编程的标准，得到的双线性模型与原始曲线非常接近

结论

以经典动态时程分析（DTHA）为基准，本研究验证了综合简化地震分析（IPA）方法的适用性和可靠性。IPA方法全面考虑了上部结构与地下结构一体化结构（SIUS）在各种地震强度和土壤条件下的地震响应特征，并揭示了整个SIUS不同区域的地震损伤机制。此外，IPA方法

CRediT作者贡献声明

邱大鹏：撰写——初稿、验证、软件、资源、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。王雅月：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件、研究。王天子：撰写——审稿与编辑、正式分析。陈云娟：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取。林东叶：撰写——审稿与编辑、资源、方法论。

资助

本工作得到了国家自然科学基金[52578477, 52208397]、山东省青年科技创新人才计划[SDAST2024QTA046]、山东省高等教育机构青年创业技术支持计划[2023KJ123]、山东省自然科学基金[ZR2024ME077]以及泰山学者计划[编号tsqn202408226]的支持。

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。