由于特大城市人口急剧增加,城市的交通也向立体化发展,地下轨道交通和城市立交桥不可避免的进行交叉修建。地下结构和邻近地面桥梁存在着相互作用,尤其是在高烈度地区,地震过程中地下和地面结构存在着耦联动力相互作用,这种地下和地面结构的耦联破坏作用和破坏机理,已成为城市岩土地震工程及防震减灾领域重要的研究课题之一。本文针对城市中地铁车站和地面桥梁在地震过程中耦联动力相互作用问题,采用近场波动理论和数值模拟方法,研究了软土场地条件下,地铁车站和地面桥梁的耦联破坏机理和破坏模式,为城市地下结构及地面结构群抗震设计提供参考依据。本文的具体研究工作和取得的成果如下:1.近场波动问题的人工边界设置方法土-结构动力相互作用体系是开放系统中复杂的非线性近场波动问题,需要在截取的感兴趣有限区域边界设置合适边界条件以模拟无限域对截取的有限区域的作用。目前常用的局部人工边界条件在大角度或掠入射时,通常会产生较大的计算误差,无法满足计算精度的需求。本文对Zienkiewicz提出的波场分解法和自由度绑定边界,提出了一种“部分解耦”单元在通用有限元程序中实现了波场分解法,并分别从反射系数和力学平衡的角度给出了自由度绑定边界的力学机理和精度分析,最后通过数值算例验证了本文边界处理方法的计算精度。2.软土三维弹塑性本构模型及其二次开发软土场地中土与地下结构的动力相互作用是强非线性动力响应问题,土体非线性的合理描述是数值模拟结果可靠性的关键。本文基于边界面理论构造了土体三维弹塑性本构模型,并将其二次开发到通用有限元软件Abaqus/Explicit中。本文构造的模型是在归一化偏平面内采用应力比描述材料的应力状态,采用土体模量与围压经验公式描述土体的摩擦材料特性;并且,根据第二偏应力不变量得到的应力等效关系,结合一维Pyke模型与边界面理论推导塑性模量。通过数值模拟结果与试验结果及EERA程序模拟结果进行对比分析,验证本构模型的合理性和准确性。最后,以某圆形地下结构模型为例,通过对比线弹性模型和弹塑性模型的模拟结果,进一步说明了合理模拟土体大变形对地下结构地震响应的重要性。3.矩形地下结构地震灾变模拟及机理研究根据1995年阪神地震中大开车站的震害资料,分别建立了大开车站和邻近隧道的非线性地震反应分析有限元模型;采用精细的非线性动力数值分析模型重现了大开车站的地震坍塌过程;通过对比不同地震动输入条件(水平、竖直、双向地震波输入)和结构形式(大开车站段和邻近隧道段)的数值模拟结果,给出了矩形有中柱结构的地震破坏机理。结果表明:不同地震波输入条件时,中柱均发生了严重的破坏,中柱是矩形地下结构的薄弱构件;对于不同地震波输入工况,中柱破坏的先后顺序依次为双向输入、单一竖向分量、单一水平分量,因此竖向地震波分量是造成中柱破坏的主要因素;中柱的破坏并不会直接导致车站顶板的坍塌,在后续荷载作用下,顶板由于失去了中柱的约束作用而产生进一步的损伤,最终在上覆荷载增大和强度降低双重因素作用下发生了坍塌破坏;对比大开车站段(坍塌)和邻近隧道段(未坍塌)的震害,地下结构的结构形式(顶板和侧墙的线刚度比)对其地震响应有较大的影响,顶板较刚的结构在地震荷载作用下易发生整体剪切型变形,地震荷载作用下发生剪切型变形的矩形地下结构通常具有较高的抗震性能,在对地下结构进行结构设计时,应保证顶板具有足够的刚度储备以增加其抗震性能。4.地铁车站-桥梁耦联地震灾变模式及机理研究建立了某软土场地两层三跨地铁车站下穿高架桥的有限元计算模型,采用本文提出的软土本构模型进行了土-地铁车站-高架桥系统的耦联非线性地震反应计算。数值模拟结果给出了一种可能的地铁车站-桥梁的耦联破坏模式;并通过对比弹性模型和弹塑性模型的模拟结果,讨论了车站与桥梁间的地震相互作用及耦联破坏机制。车站-桥梁耦联破坏过程为:首先地铁车站顶板和楼板失效,然后侧墙失去支撑向车站内侧变形,最后车站破坏后引起邻近地基失效,桥梁基础向车站产生大量变形并发生“落梁”破坏。桥梁对地铁车站的地震响应影响较小,地铁车站的破坏主要取决于其自身的抗震性能;地铁车站破坏后,邻近车站的桥梁基础会带动邻近区域土体向车站方向移动并使得地基失效范围增大。