摘要:两侧采用粘弹性人工边界,底部为全约束,建立合理的土与地下结构相互作用模型,通过有限元软件分析,比较研究土—地下结构相互作用分析中埋深、土层分布和结构类型等因素对地下结构抗震性能的影响。结果表明,埋深对地下结构影响比较大,选择合适的地质土层和结构类型能大大提高结构抗震性能。

关键词:地下结构;抗震性能;数值模拟;人工边界
 
0 引言
      地下结构受周围地层约束,地震时一般与地层保持同步,振动幅度及其引起的惯性力与地上结构相比均较小。在1995年1月17日日本兵库县南部地震以前,地下结构包括地铁车站的震害报道非常少,因此,地下结构被普遍认为具有较强的抗震能力。但在兵库县南部地震中,神户市的大开地铁车站遭受到严重破坏,这是第一起地下结构的严重震害,因而引起人们的关注。宫必宁等[1]通过振动台试验,研究地震动输入对地下结构的影响,得出了侧壁位移、动土压力的变化规律。文献[2]研究竖向地震动对地铁结构中柱的破坏影响,认为竖向地震作用产生的破坏也相当大,在抗震设计中不能忽略,应予充分重视。高峰等[3]对不同地铁断面类型进行地震反应分析,确定结构衬砌的薄弱部位,为抗震设计提供了依据。研究地下结构在地震作用下的反应,无论对研究地下结构的震害,还是对地下结构的抗震设计都有特殊的意义。
      本文选取典型地铁车站结构为研究对象,在不同土层埋深、土层分布情况下,对地下结构与土动力相互作用的动力特性和物理机制作进一步研究;对结构体系考虑地震动输入、土与结构相互作用、波动效应;分析体系变形结构地震动响应、破坏形态的机制,并讨论各因素的影响作用。WWW.11665.COm
1 计算模型和参数确定
1.1 计算模型选取　　
      本文研究不同埋深、土层情况下地铁车站地震响应分析,选取的计算对象是一个位于软土地层中的浅埋地下钢筋混凝土结构,基岩面位于地表以下一定深度。地震时基岩面首先产生运动加速度,然后基岩运动以地震波的形式(包括剪切波和压缩波)由基岩面垂直向上入射,使土层和其中的结构产生加速运动,直至地表面。
      为简化计算,取地下结构和土层的典型断面,将实际的三维空间问题简化为二维平面应变问题来处理。
1.2 地基截取范围
      粘弹性人工边界[5]不但可以模拟散射波由有限域向无限域的传播,同时也模拟了人工边界外地球介质的弹性恢复性能,可进行地震作用下土—结构动力反应计算,也可开展土—结构系统的模态分析。一般情况下地基边界范围取到结构的3倍,再引入人工边界,所得结果与引入无限元的情况差别不大[6]。本文计算范围取地下结构跨度的5倍,然后在土体两侧引入粘弹性人工边界,计算深度范围一般取到基岩为止,但由于此地铁车站软土覆盖很大,50m以下地质资料较少见,本文只取计算深度为50m,即假定地震动由此高程输入。考虑地震作用过程中,假定地震动是由基岩垂直向上传播的压缩波或(与)剪切波。
1.3 有限元网格划分
      该结构体系宽110m,深度50m,结构与土体均采用平面应变单元,两侧人工边界采用弹簧-阻尼单元来模拟粘弹性边界,底部为全约束,通过设置合理的参数,以模拟地震动能量在边界的吸收和传播。采用合理单元大小对结构体系进行离散,以满足波传播和分析要求的需要。
2 地震反应分析
      以地铁车站为研究对象,假设各种土层分布情况,研究对地铁车站的动力响应的影响。计算资料如表1所示。

      考虑4种埋深进行研究,分别为1.8、6、10和25m,周围土体取均质土体。然后对不同土层分布进行分析研究,各土层情况如图1所示,土层埋深均为1.8m。采用阪神kobe波,如图2、图3所示,考虑到竖向地震及水平和竖向地震的相互耦合,工况分别采用水平(x向)、垂直(y向)和水平垂直双向地震动输入,垂直地震动加速度值取水平加速度的2/3。各种数值分析工况如表2所示。

2.1 应力分析
      本次数值模拟主要考虑了不同埋深和土层分布下,结构的侧壁、中柱和结构顶板的受力情况。
      从图4可以看出在一定埋深情况下,结构应力随覆盖层厚度增加而增大,顶板土压力在两侧较大,顶板与中柱相交处的应力比较小,顶板跨中几乎没有变化,表明侧墙和立柱的约束限制了顶板与土体一起变形,在惯性力作用下,使得约束处产生较大的土压力。由图5可知,侧壁的底部应力最大,中柱的顶部应力最大,两者中间应力较小,应力呈马鞍状分布;覆盖层厚度变化,中柱轴向应力影响比侧壁大。图6为结构典型部位的应力,比较结果显示结构边墙4个角隅处应力比较大,埋深在25m时,结构有些部位应力增大不明显。从以上几点看出,结构的设计准则应该提供有效的韧性,以吸收强加的变形,又不会丧失承受荷载的能力。

     

      由图7、图8可知,结构侧壁深入土体,结构应力有一定的变化,侧壁变化比较明显,特别是侧壁上端应力σy变化幅度大,有些部位略有增加;中柱应力两端略有减小,中间部位减小比两端多。由此显示侧壁削弱了结构竖向震动,同时也减小水平向变形,增强了与土体的整体性,提高了结构的抗震性能。

2.2 位移分析
      从图9、图10可以看出,底板竖直位移呈抛物状,底板两端位移比中部位移大,因此底板中柱附近可能产生剪切破坏。水平分层的水平位移比竖直分层大,变形趋势基本相似;竖直土层不同时,底部有较软土层的结构容易产生较大的位移,竖向位移甚至比水平分层还要大,结构在中间部位产生了较大幅度的竖向位移。这说明了地下结构在较软的土层上,容易使结构产生相互错动,从而产生剪切破坏。
      由图11、图12知,在激励时,楼板各测点相对位移呈波动变化,但各工况下最大值都在楼板两端。埋深大的位移值要大于埋深浅的,由此可以说明埋深不同对结构楼板位移的影响较大。覆盖层增大,结构侧向受到的土压力增大,使得结构楼板受到侧墙的水平作用加大。各种埋深情况下,位移呈马鞍状分布,楼板中点的位移较小,与最大值相差不大;埋深1.8m时两端位移几乎相同,埋深10m时两端位移有显著的差别,说明垂直荷载加大了对中柱的影响,产生弯曲变形。

2.3 加速度分析
      由表3可见随着深度增加,各节点的加速度峰值均基本增大,结构的响应也变得明显。浅埋情况下结构水平放大系数大于垂直放大系数;埋深10m情况下,垂直放大系数大于水平放大系数。不同土层情况下,结构底板中点加速度时程曲线如图13所示,加速度曲线相似。水平加速度峰值水平分层出现在4.78s,峰值是1.567m/s2,而竖直分层最大峰值在5.18s,峰值是1.52m/s2。水平分层土层分布不同对底板水平加速度影响比较大,反应曲线基本与地震动曲线形状相似,说明底板主要是随地震动一起震动,震动特性基本不变。
参照文献[7]方法,得到频响函数(图14、图15),结构顶板响应峰值比底板大,差别比较明显。在低频率下,水平土层中底板得到的响应峰值较大,竖直土层使得频响函数减小。由此可以看出,水平分层响应比较大,土层分布不能忽略。

3 结论数值分析结果表明:
      (1)地下结构的上覆土层厚度对结构的影响比较大,浅埋时随厚度增加,结构应力增大,对中柱的破坏更明显,楼板的破坏也加重。
      (2)地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域。水平分层比竖直分层更容易使地下结构遭受破坏。结构底部有较软土层时,容易使底板产生更严重的不均匀变形,从而产生剪切破坏。
      (3)采用合理的构造措施,比如侧墙深入土层、增强结构与土的整体性,可以提高地下结构的抗震性能。
 
参考文献:
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