本发明涉及地下工程抗震防灾技术领域，具体涉及一种地下结构地震动三维数值模拟方法。
背景技术：
随着我国各大中城市大力发展城市轨道交通，作为数条地铁线路的换乘车站往往结构较为复杂，其抗震设计及安全性评价的重要性、迫切性越来越明显。由于地震发生的偶然性和难以重复性，使得采用现场实测和模型试验等手段来研究地震动对地下结构的作用难度和成本均较大，而数值模拟手段能够较好的再现地下结构在地震动荷载下的响应，且重复性好、成本低，是目前研究地震动对地下结构作用的主要手段。但是，目前对地下结构地震动的模拟主要为二维平面应变分析，虽然通过简化大型复杂地下结构的方法，大大提高了计算效率，但是无法真实反映地下结构在地震动作用下的空间效应，而针对大型地下结构抗震三维数值模拟方法还较为欠缺。因此，为适应我国轨道交通建设的需求，有必要对地铁车站等大型地下复杂结构抗震的数值模拟方法展开研究，从而指导大型地下复杂结构的抗震设计，提高其抗震设防水平。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够对大型复杂地下结构和地层精细化三维数值建模和分析，实现地震动作用下地下结构受力和变形的真实反映的地下结构地震动三维数值模拟方法，以解决上述背景技术中存在的二维平面分析技术无法真实反映地下结构在地震动作用下的空间效应的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种地下结构地震动三维数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤s110：建立地下-地层结构的三维空间模型；
步骤s120：在所述三维空间模型的边界设置粘弹性人工边界，用于模拟地震波在真实场地中的半无限区域传播，得地下-地层结构的三维有限元模型；
步骤s130：在所述三维有限元模型中选取监测点；
步骤s140：设定模拟地震波；
步骤s150：将所述模拟地震波输入所述三维有限元模型中进行动力分析，提取各监测点动力参数，得地震动模拟结果。
进一步的，所述建立地下-地层结构的三维空间模型包括，确定土体动力本构关系，设定地下土体及地下结构相应的材料属性，确定地下土体与所述地下结构及各结构部件间的接触关系；对各结构部件划分网格，确定各结构部件的离散关系。
进一步的，所述确定土体动力本构关系采用mohr-coulomb模型来模拟土体的非线性性质，土体采用实体单元模拟，各地层视为各向同性mohr-coulomb理想弹塑性材料。
进一步的，所述接触关系采用各接触面协调变形的绑定关系。
进一步的，采用蒙皮技术对各结构部件划分网格。
进一步的，所述设定模拟地震波包括，根据地下结构所在地的安全评估报告，选取强震记录；按照预定的模拟参数对所述强震记录的地震波震动参数进行调整，并进行基线校正。
进一步的，所述预定的模拟参数包括工程基本设防烈度、有限元模型网格尺寸、计算分析需求，所述强震记录的地震波震动参数包括加速度峰值、频率、持时。
进一步的，所述设置粘弹性人工边界包括，粘弹性人工边界的法向与切向的弹簧刚度和阻尼系数按照下式取值，
其中，kbn、kbt分别为法向与切向弹簧刚度；cbn、cbt分别为法向与切向阻尼器的阻尼系数；r为波源至所述粘弹性人工边界的距离；cp和cs分别为介质的p波和s波的波速；g为介质剪切模量；ρ为介质质量密度；αn与αt分别为法向与切向粘弹性人工边界修正系数。
进一步的，所述动力分析的公式为：
其中，[m]为质量矩阵，[c]为阻尼矩阵，[k]为刚度矩阵，
本发明有益效果：通过对大型复杂地下结构和地层精细化三维数值建模和分析，实现地震动作用下地下结构受力和变形的真实反映。在数值模拟中，两种刚度不同的材料相互接触处，刚度较小的材料，网格需要划分的更细。本发明在建模过程中采用蒙皮技术，使得刚度相对较小的地层能够以合适的网格尺寸进行划分，提高了大型复杂地下结构地震动三维数值模拟的计算效率。通过对地下结构地震动的三维数值分析，能够直观的找到地震动作用下地下结构抗震薄弱部位，通过改变模型结构、材料性能及接触关系，提出合理的地下结构减震措施，提高大型复杂地下结构的抗震设防水平，保证地下结构和人员的安全。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例所述的地下结构震动三维数值模拟方法流程图。
图2是本发明实施例所述的地下结构三维空间模型示意图。
图3是本发明实施例所述的地下结构三维有限元模型示意图。
图4是本发明实施例所述的调整后的地震加速度时程曲线示意图。
图5是本发明实施例所述的地下车站监测点布置示意图。
图6是本发明实施例所述的地下车站监测截面不同高度侧墙变形曲线示意图。
其中：1-粘弹性人工边界。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。
需要说明的是，在本发明所述的实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通，或两个元件的相互作用关系，除非具有明确的限定。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1是本发明实施例所述的地下结构震动三维数值模拟方法流程图，图2是本发明实施例所述的地下结构三维空间模型示意图，图3是本发明实施例所述的地下结构三维有限元模型示意图，图4是本发明实施例所述的调整后的地震加速度时程曲线示意图，图5是本发明实施例所述的监测点布置示意图，图6是本发明实施例所述的监测截面变形曲线示意图。
本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。
如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种地下结构地震动三维数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤s110：建立地下-地层结构的三维空间模型；
步骤s120：在所述三维空间模型的边界设置粘弹性人工边界，用于模拟地震波在真实场地中的半无限区域传播，得地下-地层结构的三维有限元模型；
步骤s130：在所述三维有限元模型中选取监测点；
步骤s140：设定模拟地震波；
步骤s150：将所述模拟地震波输入所述三维有限元模型中进行动力分析，提取各监测点动力参数，得地震动模拟结果。
在本发明的一个具体实施例中，所述建立地下-地层结构的三维空间模型包括，确定土体动力本构关系，设定地下土体及地下结构相应的材料属性，确定地下土体与所述地下结构及各结构部件间的接触关系；对各结构部件划分网格，确定各结构部件的离散关系。
在本发明的一个具体实施例中，所述确定土体动力本构关系采用mohr-coulomb模型来模拟土体的非线性性质，土体采用实体单元模拟，各地层视为各向同性mohr-coulomb理想弹塑性材料。
在本发明的一个具体实施例中，所述接触关系采用各接触面协调变形的绑定关系。
在本发明的一个具体实施例中，采用蒙皮技术对各结构部件划分网格。
在本发明的一个具体实施例中，所述设定模拟地震波包括，根据地下结构所在地的安全评估报告，选取强震记录；按照预定的模拟参数对所述强震记录的地震波震动参数进行调整，并进行基线校正。
在本发明的一个具体实施例中，所述预定的模拟参数包括工程基本设防烈度、有限元模型网格尺寸、计算分析需求，所述强震记录的地震波震动参数包括加速度峰值、频率、持时。
在本发明的一个具体实施例中，所述设置粘弹性人工边界包括，粘弹性人工边界的法向与切向的弹簧刚度和阻尼系数按照下式取值，
其中，kbn、kbt分别为法向与切向弹簧刚度；cbn、cbt分别为法向与切向阻尼器的阻尼系数；r为波源至所述粘弹性人工边界的距离；cp和cs分别为介质的p波和s波的波速；g为介质剪切模量；ρ为介质质量密度；αn与αt分别为法向与切向粘弹性人工边界修正系数。
在本发明的一个具体实施例中，所述动力分析的公式为：
其中，[m]为质量矩阵，[c]为阻尼矩阵，[k]为刚度矩阵，
下面通过对大型复杂地下车站构造的三维数值模拟方法来确定地下车站的抗震构造分析。
步骤一，建立地层-地下结构的三维几何模型，如图2所示。确立土体动力本构关系，赋予土体和地下结构相应的材料属性，车站的侧墙、板采用的材料为c35混凝土，密度为为2500kg/m3，泊松比为0.2，弹性模量为31.5gpa；车站立柱、桩基采用的材料为c40强度等级的混凝土，密度为2500kg/m3，泊松比为0.2，弹性模量为32.5gpa；车站围护墙采用c25等级的混凝土，密度为2500kg/m3，泊松比为0.2，弹性模量为28.0gpa。定义土体与结构间和结构部件间的接触关系。对各模型部件划分网格，其中土体、围护墙全部采用c3d8r六面体实体单元进行离散；车站的墙板结构采用s4r四节点曲面薄壳或厚壳单元进行离散；车站的立柱采用b31两节点空间线性梁单元进行离散。
步骤二，在模型边界(前、后、左、右及下部)设置粘弹性人工边界1，用来模拟地震波在真实场地中的半无限区域传播，具体布置如图3所示；
步骤三，根据地下结构所在地的安全评估报告，选取2条本地区发生过的强震记录或类似场地上的强震记录和1条按照一定的目标人工合成地震波，按照选定的本工程基本设防烈度、有限元模型网格尺寸、计算分析需求等，对所选地震波的加速度峰值、频率和持时进行调整，并进行基线校正，调整后的地震加速度时程曲线如图4所示；
步骤四，在地下结构和地层三维有限元模型中确定监测点的布置方案，在车站侧墙上设置了两对四个典型监测截面，两两作为对比。分别命名为a-a、b-b、c-c、d-d，具体监测布置如图5所示；
步骤五，对模型输入选定的地震波，采用隐式时间积分方法对模型进行动力分析，待计算结束后，提取各监测点位移、速度、加速度、内力，进一步对地下结构进行分析，找出抗震薄弱点，提出合理的抗减震措施。如图6所示，a-a和b-b截面处，车站侧墙位移值都呈现出从底板到顶板线性增大的规律。在顶板处位移值达到最大，分别为14.3mm和13.7mm。同时通过对比a-a截面和b-b截面的变形曲线，可以发现a-a截面与b-b截面的位移变化规律与大小近似一样。
所述土体动力本构关系采用mohr-coulomb(摩尔-库伦)模型来模拟土体的非线性性质，土层采用实体单元模拟，各地层视为各向同性mohrcoulomb理想弹塑性材料。
所述结构采用六面体实体单元模拟围护墙；四节点曲面薄壳或厚壳单元模拟地下结构墙板结构，两节点空间线性梁单元模拟地下结构立柱。
进一步的，所述接触关系采用绑定关系，即各接触面协调变形，结构与土体间采用蒙皮技术，便于划分网格。
粘弹性人工边界上法向与切向的弹簧刚度和阻尼系数按照下式取值。
式中kbn、kbt分别为法向与切向弹簧刚度；cbn、cbt分别为法向与切向阻尼器的阻尼系数；r为波源至人工边界点的距离；cp和cs分别为介质的p波和s波波速；g为介质剪切模量；ρ为介质质量密度；αn与αt分别为法向与切向粘弹性人工边界修正系数。
进一步的，所述动力分析基本方程为：
其中：[m]为质量矩阵；[c]为阻尼矩阵；[k]为刚度矩阵；
综上所述，本发明首次对大型复杂地下结构进行了精细化建模，建立了地层-结构相互作用的三维动力模型，计算了地下结构在地震荷载作用下的位移速度、加速度和内力响应，对大型复杂地下结构的抗震设计和提高其抗震设防水平具有重要的指导意义，对于不同地震荷载作用下的大型复杂地下结构风险分析具有较好的适用性。
在数值模拟中，两种刚度不同的材料相互接触处，刚度较小的材料，网格需要划分的更细。本发明在建模过程中采用蒙皮技术，使得刚度相对较小的地层能够以合适的网格尺寸进行划分，提高了大型复杂地下结构地震动三维数值模拟的计算效率。
通过对地下结构地震动的三维数值分析，能够直观的找到地震动作用下地下结构抗震薄弱部位，通过改变模型结构、材料性能及接触关系，提出合理的地下结构减震措施，提高大型复杂地下结构的抗震设防水平，保证地下结构和人员的安全。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。