地下结构地震反应分析中确定侧向边界的等效土柱模型

地基土体边界条件的确定是土-地下结构动力相互作用(SSDI)问题中的一个重要环节。基于剪切波在土柱中的传播理论,提出一种通过等效土柱模型确定SSDI问题中土体远置自由边界尺寸的方法,即建立土-结构相互作用模型,同时建立有相同土层特性的可代表水平成层无限半空间的等效土柱模型,对二者施加相同的输入地震动激励,当二者土层边界顶部的反应满足相对误差条件时,所选取的土-地下结构体系土体边界尺寸满足波传播的要求。以一个地下隧道工程为背景,基于ABAQUS有限元数值计算平台,应用等效土柱模型确定其远置自由边界尺寸。在此基础上,建立合适尺寸的自由边界模型并对其施加近似粘弹性人工边界及动力无限元边界条件,与通过等效土柱模型确定的自由边界模型的结构反应进行了对比,考察了不同边界条件的设置对结构动力反应的影响。结果表明:对该土-地下隧道工程,通过等效土柱模型确定的可以满足波传要求的自由边界为1 200 m时可控制相对误差在2%以内;自由边界模型与设置了近似黏弹性人工边界及动力无限元边界模型的结构动力反应符合较好;设置近似黏弹性边界及无限元单元的模型能以相对小的计算成本达到与等效土柱模型确定的大尺寸自由边界模型相近的计算效果。确定土体自由边界尺寸的等效土柱模型方法为SSDI问题中土体自由边界的选取与设置提供了有效借鉴与参考。