研究背景：

城市地下空间的开发充分利用了城市空间资源，为人们的生活提供了极大的便利。然而，历次大地震震害调查表明地下结构面临较大的地震灾害风险。国内外的研究学者针对著名的1995年阪神地震中大开车站地震破坏案例进行了大量的研究，然而大多数的研究都没有实现对大开车站倒塌演化全过程的模拟；结构的承载能力通常具有一定的冗余度，某一结构构件实效会引起结构性能的退化，以往的研究中未给出大开车站性能退化过程，因此对于其破坏机理的解释仍存在一定的局限性。本文给出了能够重现地下结构倒塌过程的非线性时域数值模拟方法，重现了阪神大地震中大开车站的灾变演化过程，并对由于中柱实效而引起的矩阵地下结构抗震性能退化机理进行了研究。

研究方法及结果：

1.本文首先提出了一个便于工程应用的三维土体弹塑性本构模型。本模型基于边界面模型理论，在归一化偏平面中建立投影法则给出应力状态参量（见图1）；采用土体材料模量与围压的经验关系描述围压改变引起的土体模量变化；并根据偏应力不变量建立应力等效关系，将一维Pyke模型拓展到三维应力空间并以此推导塑形模量（见图2）。

图1 归一化偏平面内的投影法则

图2 应力等效关系

2.本文依据大开车站的震害调查资料，建立三维非线性有限元模型（见图3），采用时域动力显式有限元分析方法重现了大开车站在双向地震动共同作用下的坍塌过程及其“M”型破坏模式（见图4），给出了中柱混凝土实效演化过程（见图5）。

（a） 场地条件

（b） 有限元网格
图3 有限元模型

图4 大开车站破坏模式

（a） 压损伤

（b） 残余强度
图5 大开车站破坏模

3.根据数值模拟得到的结构变形演化过程（见图6），可以将大开车站的破坏分为三个阶段：I）中柱在水平和竖向地震动共同作用下失效；II）中柱承担的上覆土和后续地震荷载向顶板转移，并引起顶板混凝土损伤发育；III）顶板破坏沉降引起结构整体垮塌。通过对比有无中柱截面的地震变形模式（见图7），可知结构几何形状(顶板和侧壁的刚度比)对地下结构的地震响应有很大的影响；顶板的刚度大于侧墙的刚度，有利于地下结构的抗震。

（a） 水平

（b） 竖向
图6 顶板和底板间动相对变形

图7 横截面变形模式（放大20倍）

该成果发表在国际权威期刊《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，*通讯作者）。