本文是一篇结构工程论文，本文分别通过高轴压比状态下的地下结构中柱低周反复静力推覆试验及同时考虑竖向地震和水平地震作用的二维非线性土体-车站有限元数值模拟，分析了地下结构抗震性能，并统计了地下结构抗震性能指标限值。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
地震是造成人员伤亡最多、破坏最广的自然灾害之一。我国地处环太平洋地震带，地震活动频繁，其具有地震多、强度大、分布广、震源浅的特点。同时，我国在建地下结构的城市也大都兼具人口密集和处于强震区两个特点[1-3]。
目前我国正在持续推进高质量发展路线，我国的经济发展将转变为同时注重经济效益和社会效益的发展模式，而随着人口城市化趋势加重，我国为了城镇化的持续发展，地下空间的开发利用是实现城市可持续发展的必然选择和重要途径[4]。因此,以地铁为代表的城市地下结构建设取得了突飞猛进的发展。我国的轨道交通发展也较为瞩目，根据中国城市轨道交通协会截至2023年底的统计，我国59座城市中投运城市轨道交通线路长度11900.29km，排名世界第一，占全球总里程的27.42%。其中，中国累计开通地铁长度11118.25km，占国内轨道交通线路的88.75%，同样排名世界第一，占全球地铁里程的48.60%，我国目前共9座城市的地铁运营里程超400km，跻身世界级地铁城市，其中我国的8座城市居于全球地铁运营里程前十榜上，其中北京、上海分别以远超过其他城市的876.11km、851.37km居于第一、第二的位置[5]。同时，为解决城市地面交通拥堵、开发空间不够等难题，国内各量级城市的地铁里程仍有大规模新建及改造的计划，地下轨道交通的建设仍是回应以上问题的一张出色答卷，同时具地上结构的大型地铁车站也正在兴起。我国地下轨道交通不仅分布广泛、且在一、二线城市中分布密集，仍具有广阔的发展前景，它在修建过程中自然对于抗震性能指标应给予妥善的规范和重视。
1.2国内外研究现状
1.2.1地下结构抗震性能试验研究现状
本文选用层间位移角作为结构性能水平量化指标，以地下结构中柱作为研究对象作试验分析时，在其众多影响因素中，轴压比和纵筋配筋率的影响最为显著[14]。
地下结构埋置在土体中，不可避免地受到其上覆土体中重力作用；同时，考虑竖向地震作用时上覆土体的存在会很大程度上加大地下结构柱的轴力反应。本文统计现有研究成果认为，地下结构中柱的轴压比一般分布在0.57~1.05的范围内；考虑竖向地震作用时，地下结构中柱的轴压比可增大0.27~0.46[25-31]。
然而，目前国内外现有关于框架柱抗震性能试验的研究多针对地上结构进行，所涉及的柱轴压比偏小，不符合地下结构的受力规律。门进杰等[32]和孙巍等[33]分别统计了近二十年与近十年来国内外框架柱的试验数据，在此基础上，本文补充统计了近十年来国内外试验的相关数据[34-43]：Shinozuka等[34]对7根高轴压比钢筋混凝土框架柱的结构震后形态和抗震性能进行了试验研究，其中超过0.6的轴压比范围为0.766-0.894。于德湖等[35]以上海园南小区住宅楼为例使用定量评价的方法进行了地震易损性分析，其中超过0.6的轴压比为0.65和0.71。Nielson[36]等在不同加载路径下对7根不同轴压比的钢筋混凝土柱进行了反复加载的拟静力试验研究，其中超过0.6轴压比的范围为0.65-0.66。杜鹏[37]采用非线性静力分析法研究了钢筋混凝土桥墩的延性和伸缩缝处的相对位移，其中超过0.6的轴压比为0.65。兰兴欢[38]对相同初始轴压比的不同材料强度与土体刚度时地上与地下结构抗震性能指标对比得出了对照数据，其中超过0.6轴压比的一组对照组轴压比为0.70。吴乐乐等[39]对15根配置不同间距箍筋的框架柱开展拟静力试验，模拟了各时期既有建筑框架结构在不同性能水准、不同后续使用年限下的层间位移角限值，其中超过0.6的轴压比范围为0.60-0.80。共计182组试验数据，按轴压比分类，见图1.1，可见轴压比在0.4以下的试件占了大多数，而轴压比超过0.6的试验仅占总体的14.3%，超过0.8的试验仅占3.3%。
第2章地下结构地铁车站中柱抗震性能拟静力试验研究
2.1试件设计
2.1.1试件设计参数
试验中对钢筋混凝土中柱进行低周反复静力推覆，为了降低试件制作成本，采用了相似理论，模型相似系数如表2.1。试验共设计7种工况，分别记为ZYZ-1、ZYZ-2、ZYZ-3、ZYZ-4、PJZ-1、PJZ-2、PJZ-3。其中，ZYZ-1—ZYZ-4以轴压比作为参数对比设计，记为轴压组，本文统计现有研究成果[25，27-31]发现，地下结构中柱的轴压比一般分布在0.57~1.05的范围内，考虑竖向地震作用时，地下结构中柱的轴压比可增大0.27~0.46，因此试件轴压比分别设计为0.6、0.7、0.8、0.9；PJZ-1—PJZ-3以配筋率作为参数对比设计，记为配筋组，试件纵筋配筋率根据直径为18、20、22、25的钢筋分别设计为1.50%、1.85%、2.24%、2.90%。试验缩尺比例为1:2，柱由上部加载块、柱体及下部固定块组成，其中上部加载块尺寸为500mm×600mm×550mm；柱体尺寸为450mm×450mm×1050mm；底部固定块尺寸为1300mm×1300mm×600mm；总高度为2200mm，试件尺寸、钢筋布置等详见图2.1，配筋情况详见表2.2。试件采用C40混凝土，柱体纵向受力钢筋直径根据工况不同为18-25mm，柱体箍筋为C10@87/175。
2.2试验破坏形态及模式
试件水平位移幅值增大，试件表面先出现水平裂缝，此时试件破坏以弯曲破坏为主；随试验进行，各试件都产生了数条新的水平或斜裂缝，并逐渐向竖向裂缝发展，且裂缝宽度随之增大，此时试件破坏以压弯剪破坏为主；随后，纵筋发生受压屈服，试件承载力达到峰值后开始下滑，塑性铰区混凝土保护层压碎脱落，纵筋屈曲并裸露在外，水平荷载降至峰值荷载的85%，试验结束。
为避免试验现象描述过于繁琐，本文将推加载块产生的正向位移简称为“Z”，拉加载块产生的负向位移简称为“F”，中间数字代表水平位移值，末尾数字代表循环次数。如“Z-2.5-2”即为试件第2次向正向位移了2.5mm。
2.2.1 ZYZ-1
加载过程中，F-5-1时，柱体东侧底部及距底部15cm处各出现一条横向贯通裂缝。Z-7.5-1时，柱体西侧距底部40cm及5~10cm处出现了三条15cm的横向裂缝；柱体西侧距底部25~30cm处出现了两条10cm的斜裂缝。F-7.5-1时，柱体东侧距底部55~75cm处各出现一条5cm的横向裂缝；柱体东侧距底部25~40cm处出现了一条25cm的斜裂缝；柱体东侧距底部15cm处裂缝斜向延伸10cm。Z-10-1时，柱体西侧距底部10~40cm处裂缝斜向延伸至柱体中部。F-10-1时，柱体东侧距底部10cm处裂缝斜向延伸至柱体中部与西侧裂缝贯通；柱体东侧底部及距底部55cm处裂缝各横向延伸10cm。Z-10-3时，柱体西侧距底部35cm处产生10cm横向裂缝；柱体西侧距底部45cm处产生10cm斜裂缝，并与该位置裂缝交汇。F-10-3时，柱体东侧距底部55cm处裂缝斜向延伸15cm。Z-12.5-1时，柱体西侧距底部55cm处出现了一条15cm的斜向裂缝。F-12.5-1时，柱体东侧距底部40cm及55cm处裂缝斜向延伸至柱体中部。Z-15-1时，柱体西侧距底部25cm、45cm及65cm处裂缝斜向延伸5cm；正向承载力开始下滑。F-15-1时，柱体东侧距底部15cm及40cm处裂缝斜向延伸5cm，与西侧裂缝缝交叉并贯通形成“X”形状；柱体西侧混凝土保护层剥落；负向承载力开始下滑。Z-17.5-1时，柱体东侧混凝土保护层剥落。F-17.5-1时，柱体东侧距底部50cm处裂缝斜向延伸至柱体中部与西侧裂缝贯通。Z-22.5-1时，柱体西侧底部混凝土保护层大量剥落，露出已明显屈服的纵向钢筋。F-22.5-1时，柱体东侧底部出现30cm纵向裂缝。Z-27.5-1时，柱体受拉侧混凝土保护层大量爆起剥落，承载力下降至85%以下。F-27.5-1时，柱体受压侧混凝土被压碎且混凝土保护层大量爆起剥落，承载力下降至85%以下。
第3章 考虑竖向地震作用的地下结构地铁车站抗震性能数值模拟分析 ..................... 44
3.1 有限元模型建立 ................. 44
3.1.1 工况设置 .............................. 44
3.1.2 材料单元属性及网格划分 ................ 48
第4章 考虑地上结构影响的地下结构抗震性能数值模拟分析 ........ 75
4.1 工况设置 .................................... 75
4.2 考虑竖向地震前后对比分析 ......................... 76
4.3 破坏模式及破坏形态分析 ........................... 80
第5章 结论与展望 ................................ 89
5.1 本文主要研究成果 ..................... 89
5.2 本文创新点 ..................................... 89
5.3 研究展望 .............................. 90
第4章考虑地上结构影响的地下结构抗震性能数值模拟分析
4.1工况设置
本章在本文第3章采用有限元软件ABAQUS建立地铁车站-土体相互作用体系的二维非线性有限元模型进行考虑
