不同土層性質(zhì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律分析

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110000)

引言

近些年世界的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其地震災(zāi)害，發(fā)生頻次多，災(zāi)害及次生災(zāi)害嚴(yán)重，自1955年在日本阪神地震中發(fā)現(xiàn)作為地下結(jié)構(gòu)的地鐵車(chē)站也在此次地震中受到嚴(yán)重的破壞，后來(lái)關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題引起了世界學(xué)者們的高度關(guān)注，隨著對(duì)地下結(jié)構(gòu)研究越來(lái)越深入，地下結(jié)構(gòu)理論也日趨完善，許多學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)：受地質(zhì)條件、水文條件、周?chē)h(huán)境等因素的影響，不同地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)有很大的差別，這使得不同地區(qū)有相同的地下理論變的很困難。

本文通過(guò)GTS NX邁達(dá)斯巖土工程的有限元分析軟件，對(duì)沈陽(yáng)某地鐵作為分析模型建立二維有限元模型，采用EL-Centro波，通過(guò)時(shí)程分析對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，通過(guò)改變彈性模量來(lái)控制土的軟硬程度，通過(guò)不同的工況設(shè)計(jì)來(lái)研究土的軟硬對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，定性分析地質(zhì)條件差異的影響。

一、工程概況

車(chē)站為矩形框架地下兩層三跨島式站臺(tái)車(chē)站，有效站臺(tái)寬度14米,車(chē)站長(zhǎng)136米，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22米，盾構(gòu)井段寬26.5米。車(chē)站頂板覆土約4m。沈陽(yáng)地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地的震動(dòng)峰值加速度選取0.10g，場(chǎng)地的設(shè)計(jì)特征周期T為0.35g,場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，且地下土層無(wú)液化現(xiàn)象。頂板、中板、底板、側(cè)墻、中柱均采用一維梁?jiǎn)卧M且材料都采用C35混凝土，土體采用平面應(yīng)變單元模擬。模型網(wǎng)格劃分及特征點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 模型特征點(diǎn)及網(wǎng)格劃分

二、元模型的建立

(一)基本假定：1.本文建立的三維模型是將土體-結(jié)構(gòu)看成一個(gè)整體進(jìn)行分析求解，地下車(chē)站結(jié)構(gòu)與土體之間完全粘結(jié)，不考慮脫開(kāi)和滑移;2.據(jù)相關(guān)勘察資料獲取了車(chē)站周?chē)翆硬煌秶奶匦?，設(shè)定每一類(lèi)土在該層的范圍內(nèi)都是均質(zhì)，層之間假定不發(fā)生脫離和相對(duì)滑動(dòng)，界面滿(mǎn)足層間位移相互協(xié)調(diào)。

(二)土體選取范圍和邊界條件:GTS NX針對(duì)無(wú)限區(qū)域邊界新增加了自由場(chǎng)邊界可以模擬半無(wú)限狀態(tài)的邊界條件，并且指出選取地鐵車(chē)站寬度的3倍的土體范圍最為適宜。

(三)土體的本構(gòu)關(guān)系:混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，該模型認(rèn)為材料在加載以及卸載時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變成線性比例，完全卸載后無(wú)殘余變形。C35混凝土的彈性模量取3.15e4 MPa，泊松比取0.2。采用Mohr-Coulomb(莫爾-庫(kù)侖)模型來(lái)描述土體本構(gòu)關(guān)系。

(四)阻尼設(shè)置:本文采用Rayleigh阻尼，在進(jìn)行時(shí)程分析之前，先要對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行特征值分析，在特征值分析中邊界條件采用彈性邊界，底部為固定邊界，由時(shí)程分析結(jié)果可以得到特征周期，從而可以計(jì)算得到阻尼參數(shù)，本模型計(jì)算前十階的特征值。

(五)地震波的調(diào)整:根據(jù)規(guī)定地震波的選取須根據(jù)地震的頻譜特征、地震動(dòng)的加速度峰值、地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)調(diào)整后的地震波如圖2。

圖2 調(diào)整后的.el-centro波加速度時(shí)程曲線

三、地鐵車(chē)站中部土層的性質(zhì)差異對(duì)其地震響應(yīng)的影響

車(chē)站中部上層土不變，隨著車(chē)站中部下層土彈性模量變化對(duì)地鐵車(chē)站的地震響應(yīng)的影響具體參數(shù)見(jiàn)表1。車(chē)站中部下層土不變，隨著車(chē)站中部上層土彈性模量變化對(duì)地鐵車(chē)站的地震響應(yīng)的影響具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 工況1中不同土層的土參數(shù)表(Kpa)

表2 工況2中不同土層的土參數(shù)表(Kpa)

3.3結(jié)果如下：

圖3 車(chē)站頂?shù)装逑鄬?duì)位移

由1-1至1-3比較可以看出，當(dāng)土層2土的彈性模量較小時(shí)，隨著土層3土的彈性模量的增加，車(chē)站的頂?shù)装逑鄬?duì)位移隨著土層3土的彈性模量的增加而變小，并且頂?shù)装逑鄬?duì)位移時(shí)程曲線因?yàn)橥翆?土的彈性模量變大其曲線波動(dòng)變小，可見(jiàn)較大彈性模量的土對(duì)地震波有阻礙其傳播的作用，并且當(dāng)土的彈性模量達(dá)到2e5時(shí)與1e6的時(shí)程曲線波動(dòng)變化相近，工況1-1、1-2、1-3的頂?shù)装逑鄬?duì)位移最大值分別為65.5mm、31.6mm、20.9mm。從變化的幅度來(lái)看，可以看出當(dāng)土的彈性模量達(dá)到一定值時(shí)，其對(duì)車(chē)站的地震響應(yīng)的影響很相近。

圖4 柱沿高度的相對(duì)位移

1-1與1-2柱的最大相對(duì)位移差值29.2mm、1-2與1-3的相對(duì)位移最大差值15.2mm,兩者相差近兩倍，可見(jiàn)土的彈性模量達(dá)到一定值時(shí)，其對(duì)地鐵車(chē)站的地震響應(yīng)的影響越來(lái)越相近。三種工況下柱的相對(duì)位移最大值分別為56mm、26.8mm、11.6mm，可見(jiàn)車(chē)站下層土的彈性模量的變化對(duì)車(chē)站地震響應(yīng)的影響不容忽視。

圖5 特征點(diǎn)處的彎矩

內(nèi)力變化可見(jiàn)變化較大的位置一般在中板、柱上的特征點(diǎn)，其他點(diǎn)幾乎沒(méi)有變化，主要是車(chē)站中部上下土的彈性模量變化引起的，變化最大的點(diǎn)是柱的下端，這主要是由于頂?shù)装逑鄬?duì)位移的變化引起的。

圖6 車(chē)站頂?shù)装逑鄬?duì)位移

由2-1至2-3比較可以看出，當(dāng)土層2土的彈性模量較大時(shí)，土層3土的彈性模量越小，車(chē)站的頂?shù)装逑鄬?duì)位移變大，可見(jiàn)較小彈性模量的土對(duì)地震波的傳播阻礙較小或者還有可能擴(kuò)大地震的作用，工況2-1、2-2、2-3的頂?shù)装逑鄬?duì)位移最大值分別為66.5mm、32.4mm、21.6mm，變化很明顯。

圖7 柱沿高度的相對(duì)位移

工況1-1與1-2柱的最大相對(duì)位移差值36.1mm、1-2與1-3的相對(duì)位移最大差值1.4mm,前者相差很大，后者相差很小，同樣可以得出土的彈性模量達(dá)到一定值時(shí)，其對(duì)車(chē)站的地震響應(yīng)的影響明顯變小。三種工況下柱的相對(duì)位移最大值分別為61.5mm、25.4mm、26.8mm，可見(jiàn)其對(duì)車(chē)站地震響應(yīng)的影響也不小。

圖8 特征點(diǎn)處的彎矩

由于土層2與土層1土的彈性模量相差也很大，可見(jiàn)上板的內(nèi)力也有一定幅度的變化，但是沒(méi)有過(guò)大。內(nèi)力變化較大的位置依然在柱上和中板上的特征點(diǎn)，其他點(diǎn)變化較小。這主要也是由于頂?shù)装逑鄬?duì)位移的變化引起的。

圖9 車(chē)站頂?shù)装逑鄬?duì)位移

是從工況1-3、2-1的比較來(lái)看土層2土的彈模大、土層3土的彈模小比土層2土彈模小、土層3土彈模大對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的影響要小很多，工況2-1的最大相對(duì)位移是1-3的5.3倍左右。

四、地鐵車(chē)站下部土對(duì)地鐵車(chē)站地震動(dòng)力響應(yīng)的影響。

在車(chē)站上部與中部土的性質(zhì)不變的情況下，改變車(chē)站下部土的彈性模量，研究其對(duì)車(chē)站地震響應(yīng)的影響。具體參數(shù)見(jiàn)表3

表3 況4中不同土層的土參數(shù)表(Kpa)

5.2結(jié)果分析如下：

圖10 車(chē)站頂?shù)装逑鄬?duì)位移

圖11 站頂板相對(duì)位移

由4-1至4-3比較可以看出，當(dāng)土層4土的彈性模量越大，車(chē)站的頂?shù)装逑鄬?duì)位移越大，但是頂板的相對(duì)位移越小，這是因?yàn)橄虏客翉椖］^小時(shí)，其上部土及車(chē)站整體的位移都很大，所以車(chē)站頂?shù)装逑鄬?duì)位移很小，當(dāng)下部土的彈性模量與車(chē)站所處土層的彈模越來(lái)越相近時(shí)，其影響開(kāi)始越來(lái)越明顯，可見(jiàn)下部土與中部土的彈模相差較大時(shí)，對(duì)車(chē)站地震響應(yīng)有很大的影響。

五、結(jié)論

1.從結(jié)果可以看出，地鐵車(chē)站并沒(méi)有因?yàn)檐?chē)站所處于土層中的上、下層土的性質(zhì)差異大而導(dǎo)致地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)就大，反而是車(chē)站所處上層土彈性模量較小時(shí)，車(chē)站所處下層土彈性模量越大反而對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)越小，而當(dāng)車(chē)站所處上層土彈性模量較大時(shí)，車(chē)站所處下層土彈性模量越小對(duì)車(chē)站的地震響應(yīng)越大。而且車(chē)站所處土層的上層土彈性模量較大時(shí)比彈性模量較小時(shí)的影響要更為明顯。

2.當(dāng)車(chē)站下部土彈性模量越大，車(chē)站的頂?shù)装逑鄬?duì)位移越大，但是頂板的相對(duì)位移越小，說(shuō)明其上部土及車(chē)站整體的位移都很大，當(dāng)下部土的彈性模量與車(chē)站所處土層土的彈模越來(lái)越相近時(shí)，其影響開(kāi)始越來(lái)越明顯，可見(jiàn)下部土與中部土的彈模相差較大時(shí)，對(duì)車(chē)站地震響應(yīng)也有很大的影響。