长期以来,人们普遍认为地下结构的抗震性能较好,且水平地震力对结构的破坏起决定性作用,故竖向地震的作用较小。通过1995年日本阪神地震震害的调查显示,竖向地震作用对地下结构的破坏性不容忽视。无柱大跨地铁车站能够提供宽敞空间,然而,对于这类车站考虑SSI以及水平-竖向地震耦合作用下和存在竖向偏压等不利情况下的动力响应与抗震措施的研究较少。因此,本文以某市地铁5号线无柱地铁车站为研究对象,对无柱大跨地铁车站结构在水平-竖向双向地震作用下和偏压不利情况下的抗震性能展开了研究。主要研究内容与结果如下:（1）结合实际工程情况,通过GDS试验开展了试验土体的动应力-动应变的变化规律研究,通过改造后的直剪试验研究了土体与混凝土表面的接触面,为振动台试验设计和有限元数值模拟分析提供了理论依据。对工程地膨胀性粉质黏土的G/Gmax～γ和D～γ曲线进行了拟合,给出了工程土体的Davidenkov模型参数和A、B和γ~0参考值。基于弹性波理论,选用锯末和土相结合的方法配制模型土以模拟场地土体,通过动三轴设计了土体与锯末质量比分别为1:3、1:5和1:6的三种不同配合比模型土,对其开展了动三轴试验以获取最佳配合比,设计了振动台试验的相似比。（2）以某市五号线无柱地铁客运站为研究背景,开展了考虑水平-竖向双向地震作用下的无柱大跨地铁车站模型的模拟地震振动台试验,研究了该类车站模型结构和周围土体地震响应的一般规律。试验结果表明:模型地基加速度响应随着地震动幅值的增加而增大;无柱地铁模型结构受竖向地震动作用影响较大,且中板变形较大。双向地震作用下结构的峰值加速度普遍大于单向地震作用下结构的峰值加速度。在地基深处地震动主要以竖向Z方向加速度分量为主,在土层表面,则是以横向X方向加速度分量起主导作用。在大震作用下,模型结构的破坏主要集中于顶板与侧墙交接处,且沿着加载方向出现了细微裂缝,车站顶板与侧墙连接处以及中板为该类车站结构薄弱位置,在设计中应对这些部位进行加强处理。（3）建立了考虑SSI的三维有限元实体分析模型,通过对有限元分析结果与振动台试验结果的对比分析,验证了有限元分析结果的可靠性。在此基础上,通过大量有限元分析,研究了这类结构在水平和水平-竖向双向地震作用下应力分布的主要规律。通过对单柱与无柱地铁车站有限元模拟分析可知,在双向地震大震时,无柱地铁车站的中板跨中应力峰值较沿水平加载方向提高了约2.5倍。而有柱地铁车站中板跨中应力峰值较沿水平加载方向提高了约1.4～1.5倍。（4）考虑到车站结构实际受力中可能存在偏压情况,开展了竖向偏压荷载下模型结构的模拟地震振动台试验,对于偏压荷载作用下的车站结构分析表明,由于模型体系处于偏压状态,导致结构左侧下部墙体和右侧上部墙体应变值较大;竖向地震作用下,结构侧墙的动土压力值小于单向水平地震作用下的动土压力值,但其底板位置处的动土压力值高于单向地震作用下的动土压力值;偏压荷载对无柱大跨顶板处的加速度峰值有放大作用,且该类车站的中板处的加速度峰值受竖向地震作用影响显著,偏压荷载的存在加重了该现象。（5）从损伤、埋深、结构形式等方面探讨了对无柱地铁车站的抗震工程优化方法。通过有限元损伤演化分析认为结构墙体两侧和顶底板结合处中板和顶板中部,在设计中应当进行结构加强;通过有限元模型分析认为在工程中增加埋深有利于减小在地震作用下结构的水平位移值,但是埋深过大,结构应力值相应提高,结构的埋深存在一个合理的范围值。通过对拱形与矩形截面地铁结构的动力响应进行对比分析,认为采用拱形结构形式,中板跨中水平加载方向的应力峰值可降低为原应力峰值的1/3左右,且整体应力值偏低,其受力形式更合理。