地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的靜力彈塑性分析方法

劉 宇

(黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的靜力彈塑性分析方法

劉 宇

(黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

近年來地震災(zāi)害讓人們?cè)馐芫薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，人們開始對(duì)于地震預(yù)防進(jìn)行細(xì)致的研究，地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)日益受到各國(guó)關(guān)注。在研究地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法存在的問題中，靜力彈塑性分析法作為計(jì)算分析工具越來越受到關(guān)注，這是一種比較適用于地下結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)使用的方法，比傳統(tǒng)的靜力和動(dòng)力時(shí)程分析方法更具優(yōu)勢(shì)。

地下結(jié)構(gòu)；靜力彈塑性分析方法；抗震設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，地下結(jié)構(gòu)數(shù)量不斷增多，伴隨而來的地下結(jié)構(gòu)震害也頻繁發(fā)生，所以地下結(jié)構(gòu)抗震研究也逐步發(fā)展起來，地下結(jié)構(gòu)的抗震理論也隨之更加完善起來。近年來我國(guó)地鐵事業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)的抗震性能以及設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)研究也成為一個(gè)重要課題。在對(duì)于地下結(jié)構(gòu)靜力分析與地上結(jié)構(gòu)靜力分析對(duì)比研究之后，找到了一種適合地下結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性方式的計(jì)算方法，該方法比動(dòng)力時(shí)程計(jì)算結(jié)果更精準(zhǔn)和更可靠。

1 地下結(jié)構(gòu)抗震分析靜力彈塑性方法概述

地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法是諸多研究者在總結(jié)地上結(jié)構(gòu)抗震理論后，研究地下結(jié)構(gòu)抗震理論而得來的，它從力學(xué)特性上可以分兩類，一種是擬靜力計(jì)算方法，另一種是動(dòng)力反應(yīng)分析方法。靜力彈塑性分析方法最開始應(yīng)用在地上結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中，隨著地下結(jié)構(gòu)抗震理論的研究，人們逐漸在地下結(jié)構(gòu)抗震中使用靜力彈塑性分析方法，通過研究發(fā)現(xiàn)該方法可以直接從結(jié)構(gòu)的側(cè)向施加載荷，側(cè)向載荷的水平加載模式可以分為拋物線形分布、倒三角分布和均勻分布等形式[1]。

使用靜力彈塑性方法分析結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)施加側(cè)向荷載，最為重要的是分布形式，其加載方式僅是次要的。通常地下結(jié)構(gòu)之間會(huì)存在著動(dòng)力的相互作用，在受到地震作用時(shí)主要是以體積受力，地基對(duì)地下結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈的束縛作用。若想要采用地上結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法，就必須對(duì)其施加載荷分清楚土與結(jié)構(gòu)間的相互作用，而使用地下靜力分析方法可以直接對(duì)地基、地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模擬土以及構(gòu)體系動(dòng)力相互作用，通過水平側(cè)向荷載施加方式，能判斷出在受到地震作用后地下結(jié)構(gòu)的分布狀況，以及各土層慣性力的分布特征。而且，施加側(cè)向荷載可以通過求得的位移，來大體推算出地震作用下，地下結(jié)構(gòu)與各土層的位移狀況。靜力分析模型在研究中通過讓各土層單元以自身來對(duì)其它土層進(jìn)行施加，然后研究模型結(jié)構(gòu)的土層深度位置，用水平等效慣性加速度進(jìn)行測(cè)試，再依據(jù)計(jì)算的要求和步驟，進(jìn)行線彈性或彈塑性分析[2]。

2 地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法實(shí)施步驟及基本功能

2.1 地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法的具體實(shí)施步驟

首先應(yīng)該建立一個(gè)自由場(chǎng)模型，給出必要的土體材料的參數(shù)，然后的步驟是輸入一維土層地震反應(yīng)分析，該土層地震的反應(yīng)分析是在地震波作用下的。其次在進(jìn)行完分析后，采用水平等效慣性加速度求解方法，求出自由場(chǎng)土體沿深度分布的水平等效慣性加速度。最后一個(gè)步驟是建立有限元模型，該模型必須是土-結(jié)構(gòu)體系，需要固定好模型底部的邊界，然后再通過兩側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)豎直約束，水平方向不限制，然后再對(duì)照土層所在位置，一步一步地施加之前得到的沿深度分布的水平慣性加速度，對(duì)模型中的結(jié)構(gòu)部分參照其土層深度位置，施加水平等效慣性加速度，最后再根據(jù)靜力有限元的方法進(jìn)行求解[3]。

需要強(qiáng)調(diào)的是在實(shí)際地震發(fā)生中，其地震動(dòng)的方向正或反是不確定的。對(duì)稱地下結(jié)構(gòu)單獨(dú)受到正向或反向的地震波作用，其受力也是對(duì)稱的，所以只需要進(jìn)行單向的計(jì)算就可以。對(duì)于非對(duì)稱地下結(jié)構(gòu)，一定要考慮該結(jié)構(gòu)正反兩個(gè)方向所施加的水平等效慣性加速度，在對(duì)其進(jìn)行充分的分析后，選擇當(dāng)中同樣條件下較大者的結(jié)果分析。

2.2 地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法具備的功能

靜力彈塑性分析方法的主要作用有兩方面：一方面是用來檢驗(yàn)新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，另外一方面是評(píng)估結(jié)構(gòu)性能能否滿足不同強(qiáng)度地震作用下的設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。其功能具體可以從以下幾方面來體現(xiàn)。

(1)它能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)行為分析

載荷施加在有限元模型中逐步加載，這與一般的靜力彈塑性分析一樣，可以通過預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件變化的全過程，從結(jié)構(gòu)開始彈性到開裂，再到屈服進(jìn)而發(fā)生彈塑性變化，最后導(dǎo)致承載力下降，從這一系列過程中分析出，結(jié)構(gòu)桿端出現(xiàn)塑性鉸的先后順序，從而判斷出塑性鉸的分布狀況和結(jié)構(gòu)薄弱的相關(guān)環(huán)節(jié)[3]。

(2)判斷結(jié)構(gòu)抗震承載能力

在對(duì)抗震能力和抗震要求進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，靜力彈塑性分析方法能夠得出地下結(jié)構(gòu)的“能力曲線”，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)阻抗橫向力的能力，同時(shí)也可以比較出結(jié)構(gòu)所承載的力，相對(duì)于地震作用下的基底剪力或?qū)蛹袅Υ笮〔罹?，確定承載力能否達(dá)到要求，因而確定建筑的抗震狀況，判定其需要進(jìn)行抗震加固或重新設(shè)計(jì)[4]。

(3)確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移

對(duì)性能/位移抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)研究后發(fā)現(xiàn)，它能夠很好地控制結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下的破損程度，能夠找到結(jié)構(gòu)整體變形與構(gòu)件局部變形間的聯(lián)系，使用靜力彈塑性分析，一般能夠準(zhǔn)確地判斷出結(jié)構(gòu)在達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)，其桿端塑性轉(zhuǎn)角的大小情況，進(jìn)而快速確定出桿端塑性鉸區(qū)的約束要求，保證了桿件的變形能力。

另外，靜力彈塑性分析方法還可以從受到強(qiáng)烈地震作用的土體與結(jié)構(gòu)非線性影響中，研究出罕見地震影響下的彈塑性。還有就是靜力彈塑性分析方法只需要進(jìn)行一維土層自由場(chǎng)動(dòng)力分析，較少使用對(duì)二維、三維有限元的模型計(jì)算，避免一些地震動(dòng)或人工邊界等參數(shù)的設(shè)定，能夠有效降低問題分析的難度[5]。

3 靜力彈塑性分析中存在的問題

3.1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

通過結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，通常會(huì)出現(xiàn)兩種狀況，有的結(jié)構(gòu)比較規(guī)范，就采用二維平面結(jié)構(gòu)來計(jì)算模型，有的結(jié)構(gòu)不規(guī)則或是比較復(fù)雜的，需要使用三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。水平方向的地震作用對(duì)實(shí)際生活中的結(jié)構(gòu)影響是沿任意方向的，所以對(duì)于這類結(jié)構(gòu)模型，首先一定要進(jìn)行空間分析，還需要建立出三維空間結(jié)構(gòu)模型和雙向水平地震輸入[6]。

3.2 橫向水平力的分布形式

地下結(jié)構(gòu)在地震過程中，會(huì)受到各種不規(guī)則變化，尤其是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受屈服以后，其地震作用會(huì)變得更復(fù)雜。橫向水平分布形式對(duì)于靜力彈塑性分布分析結(jié)果有很大的影響，一般采用均勻分布、倒三角形分布反應(yīng)譜振型組合分布等固定分布形式。通過靜力彈性動(dòng)力分析和反應(yīng)譜振分析可以得到側(cè)力分布，然后對(duì)各種測(cè)力分布研究后發(fā)現(xiàn)，彈性時(shí)程最大慣性力分布形式可以得到最高的能力曲線；反應(yīng)譜法側(cè)向分布所得到的能力曲線與倒三角性分布所得到的極為相近；而定點(diǎn)集中力得到的能力曲線與其他三條曲線的能力曲線相比，相差較遠(yuǎn)。

另外，在研究倒三角形分布水平側(cè)力時(shí)，只考慮了對(duì)應(yīng)基本振型的地震作用，對(duì)高振型對(duì)地震的貢獻(xiàn)作用，如何來進(jìn)一步研究高振型的影響，是否要在側(cè)力分布中區(qū)考慮等，還需要仔細(xì)研究。

結(jié)束語

當(dāng)前，國(guó)際間對(duì)于靜力彈塑性分析的理論研究和方法已經(jīng)比較成熟，但是在地震動(dòng)力效應(yīng)方面還需要進(jìn)一步完善。靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果需要一定的計(jì)算輔助，我國(guó)目前在輔助技術(shù)方面的研究還需要更深的探索。地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性方法以其良好的可靠性和準(zhǔn)確的模擬精度，適合應(yīng)用在地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震分析中。目前地球內(nèi)部活動(dòng)劇烈，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，為此，我國(guó)更應(yīng)該加快地下建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)問題研究，確保地下結(jié)構(gòu)的抗震性能，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

[1]劉雪冬.靜力彈塑性分析方法的適用性淺析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(10):2406-2406,2229.

[2]陳濤,劉麗,陳鐵鋼，等.地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的分析方法及其現(xiàn)狀[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2014(7).

[3]李永梅,周冰,張微敬，等.空間填充墻 RC 框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014(11):1660-1665.

[4]董正方,王君杰,蘇俊省，等.城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)流程[J].城市軌道交通研究,2015,18(5):65-68,72.

[5]潘靖軍.交叉地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)比研究[D].中南大學(xué),2014.

[6]王恒趙,諸旭斌.地下結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊,2015(14):457-457.

(責(zé)任編輯：孫強(qiáng))

Static Elastic Plastic Analysis Method for Seismic Design of Underground Structures

LIU Yu

(Heilongjiang Institute of Architectural Technology, Harbin, Heilongjiang 150025, China)

In recent years, the earthquake disaster has made people suffer great economic losses. People began to carry out detailed research on the earthquake prevention, and the seismic design of underground structure is increasingly concerned by the countries. In the research of seismic analysis method of underground structures, the static elastic-plastic analysis method is getting more and more attention. This is a more suitable method for seismic analysis and design of underground structures.

underground structure; static elastic-plastic analysis method; seismic design

2015-10-20

劉宇(1982-)，女，黑龍江泰來人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

TU234

A

1671-4385(2015)06-0084-03