跨越地裂縫復雜連體結(jié)構(gòu)動力響應分析

郭宏超，李 濤，王德法，李曉蕾，劉云賀

(西安理工大學 土木建筑工程學院， 陜西 西安 710048)

地裂縫是一種由內(nèi)外力及人類活動等因素共同作用所形成的地面開裂現(xiàn)象，屬于一種迫害性極強的地質(zhì)災害，嚴重影響人類生命、財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定與發(fā)展。對于地裂縫的成因目前主流的觀點分為三種：構(gòu)造成因說、地下水超采成因說及綜合成因說[1-2]。在西安地區(qū)地裂縫成因的研究中，相關(guān)學者的觀點從早期的過量開采地下承壓水形成地面不均勻沉降，轉(zhuǎn)向目前普遍認可的以構(gòu)造為主，地下水開采為輔的觀點[3]。西安目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了14條地裂縫，出露總長度超過120 km，地裂縫造成的災害影響相當嚴重。

為應對地裂縫沉降對建(構(gòu))筑的影響，我國科研人員做了大量的研究。黃強兵等[4]在對穿越西安地裂縫的城市地下綜合管廊研究中利用有限元軟件進行模擬分析，總結(jié)了分段管廊結(jié)構(gòu)頂、底板的應力變化規(guī)律，提出了地下綜合管廊穿越地裂縫在設(shè)計和施工時應該注意的問題。彭建兵等[5]對西安地鐵隧道正交穿越地裂縫帶做了大量研究，結(jié)合相關(guān)參數(shù)建議分段設(shè)縫以適應地裂縫變形。熊田芳等[6]通過開展地裂縫試驗，地鐵隧道騎縫正交穿越地裂縫的問題進行研究，探討了地裂縫活動下襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的機制。石玉玲等[7]通過對地裂縫影響下多種橋梁形式的破壞試驗，指出橋面板選用簡支形式，橋墩采用獨立橋墩等措施能有效應對地裂縫作用。熊仲明等[8]對西安地區(qū)跨地裂縫建筑做了大量的試驗和有限元模擬研究，根據(jù)對某一跨地裂縫簡單框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析中，得出通過設(shè)置沉降縫將跨越地裂縫建筑劃分為兩個獨立部分設(shè)計可有效減弱地裂縫對上部框架結(jié)構(gòu)的影響。

國內(nèi)相關(guān)研究主要側(cè)重于地裂縫活動對規(guī)則建(構(gòu))筑物的影響，而針對跨越地裂縫且由不規(guī)則的多塔樓連接的復雜連體結(jié)構(gòu)研究甚少。對此，本文利用有限元軟件以西安地區(qū)某跨越地裂縫的復雜連體結(jié)構(gòu)為研究對象，對該復雜連體結(jié)構(gòu)進行不同工況作用下的罕遇地震非線性時程分析。通過比較不同工況下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件內(nèi)力、層間位移角、層間剪力等參數(shù)，給出結(jié)構(gòu)的破壞機理、薄弱區(qū)域，為實際工程設(shè)計提供相關(guān)建議。

1 分析模型

1.1 工程概況

西安火車站改造工程東配樓項目總建筑高度35.5 m，地上8層(局部6層)、地下2層(局部1層)，底部兩層層高為5 m，樓上各層層高均為4 m，建筑面積約9.3萬m2，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

由于西安f3地裂縫斜向穿過該項目規(guī)劃所在地(見圖1)，整體結(jié)構(gòu)為對地裂縫進行合理避讓被分割成三個形狀不規(guī)則的單體，為確保建筑功能的連續(xù)性，通過大跨桁架和連廊將各單體連接在一起，從而形成了不規(guī)則的復雜連體結(jié)構(gòu)形式。地裂縫的穿過不可避免地迫使結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、柱網(wǎng)、剪力墻等主要承重構(gòu)件布置出現(xiàn)間斷或不規(guī)則，致使結(jié)構(gòu)形式更加復雜，隨著西安f3地裂縫的后期活動和發(fā)展，將可能出現(xiàn)垂直位錯運動、水平拉張運動和水平扭動運動相結(jié)合的三維空間運動特征，對跨越其上的東配樓極為不利，可能會直接影響到復雜連體結(jié)構(gòu)和大跨懸掛結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同工作性能及各單元、部件之間連接的可靠性。在此工程背景下，研究地裂縫活動對其上部結(jié)構(gòu)的影響就顯得尤為重要。

圖1 東配樓總體布置圖Fig.1 General layout of the East Distribution Building

1.2 有限元模型

模型建立過程中，梁、柱和斜撐采用框架單元模擬，樓板采用膜單元模擬，剪力墻選用殼單元-非線性分層殼模擬，模型各個單體及連接體的主要梁、柱、板、剪力墻等截面信息見表1。參考GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》可以得出該模型的地震設(shè)防烈度為8級(0.2g)，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，大區(qū)框架抗震等級為一級，三角區(qū)混凝土框架抗震等級為二級。地震影響系數(shù)最大值為0.16，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，場地特征周期Tg=0.45，周期折減系數(shù)為0.85。采用SAP2000有限元軟件建立了有限元模型，有限元模型見圖2。

表1 模型的主要截面信息Tab.1 Main section information of the model

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite calculation model

連接大區(qū)和小三角區(qū)的連接體采用大跨疊層桁架，跨度為45 m，支座位置分別在結(jié)構(gòu)的第二層和第五層；連接大區(qū)和大三角區(qū)的為連廊，每層均有布置。大跨桁架和連廊在與主體結(jié)構(gòu)連接時擬采取一端鉸接一端滑動的柔性支座處理形式?；瑒又ё枰鶕?jù)可能發(fā)生的相對位移方向約束自由度，故連廊處需釋放Y方向自由度，桁架處需釋放X方向自由度。結(jié)合擬建場地的實際地質(zhì)情況，因建筑物跨越了西安f3地裂縫，地裂縫兩邊分為上盤和下盤，地裂縫上盤屬于地裂縫活躍區(qū)，下盤基本趨于穩(wěn)定。為減小地裂縫的蠕動變形對結(jié)構(gòu)的影響，將鉸接端放置于復雜連體結(jié)構(gòu)的下盤從而釋放結(jié)構(gòu)變形，減小內(nèi)力，故鉸接端支座放置于處于下盤的小三角區(qū)對結(jié)構(gòu)更為有利，支座的布置形式見圖2。由于本文重點在于對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的分析，故對結(jié)構(gòu)下部與土體的接觸簡化為固定端支座進行分析。

2 地震動輸入及分析工況

2.1 地震動輸入

根據(jù)工程場地條件，選取522-225和El Centro[9]這2條天然波和一條人工波，采用三向地震波的輸入方式，按照抗震規(guī)范將波沿結(jié)構(gòu)以水平主向∶水平次向∶豎向=1.00∶0.85∶0.65的比例輸入，將每條地震波峰值調(diào)至0.4g，并用SeismoSignal軟件對地震波進行基線校準。圖3為各地震波調(diào)幅后反應譜與規(guī)范反應譜的對比，由圖3可知結(jié)構(gòu)主要振型的周期相差均低于20%，說明所選地震波的反應譜曲線基本符合規(guī)范要求。通過計算，前30 s的El Centro波對該結(jié)構(gòu)的地震響應較為劇烈，因此后文的計算均基于El Centro波作用對結(jié)構(gòu)的影響，調(diào)幅后的地震波見圖4。

圖3 各地震波反應譜與規(guī)范反應譜的對比Fig.3 Comparison of seismic wave and normative response spectrum

圖4 調(diào)幅后El-Centro波(主向)Fig.4 El-Center wave after AM (main direction)

2.2 地裂縫作用模擬及工況分類

文獻[10]在勘察研究中發(fā)現(xiàn)東配樓附近f3地裂縫地表鮮有破壞呈隱伏狀。根據(jù)鉆探結(jié)果查閱相關(guān)規(guī)范得出該擬建場地為地裂縫二類場地，平均活動速率較低，特別是近年來f3地裂縫的活動呈減弱趨勢且逐步穩(wěn)定，活動速率自2005年后均小于5 mm/a。黃強兵等[5]根據(jù)西安地鐵2號線隧道穿越地裂縫帶的相關(guān)勘測結(jié)果，對f3地裂縫的最大沉降量進行預測，以2002—2007年的活動速率2 mm/a為基礎(chǔ)，結(jié)合f3地裂縫的歷史最大活動位移量，考慮1.5的安全系數(shù)，最終建議西安f3地裂縫按50年設(shè)計時垂直沉降量按150 mm來考慮。文獻[11]對西安地裂縫南傾南降的垂直沉降、水平引張、水平扭動的三維空間運動特征進行研究，得出地裂縫以垂直位移量最大，三向運動的比值大致為1∶0.31∶0.03。由于扭轉(zhuǎn)量較垂直沉降量小一個數(shù)量級，故在對結(jié)構(gòu)的影響分析中可以忽略。X向和Y向的水平張拉分量則根據(jù)f3地裂縫穿越建筑物的傾斜度來確定，50年地裂縫的活動量見表2。

表2 50年地裂縫的活動量Tab.2 Ground fissure activity in the next 50 years

本文考慮地裂縫的施加方法為假設(shè)下盤不動，上盤相對下盤發(fā)生不均勻沉降，即給大區(qū)和大三角區(qū)施加初始位移并按照豎向沉降量和水平張拉量分配到模型的各個底部節(jié)點，同時在此基礎(chǔ)上對不同地裂縫沉降模型施加罕遇地震作用，來研究地震作用下地裂縫不同沉降量對上部結(jié)構(gòu)動力性能的影響，選取的非線性時程工況見表3。

表3 跨越地裂縫結(jié)構(gòu)的非線性時程工況Tab.3 Nonlinear time-history conditions of crossing ground fissure structures

3 有限元分析結(jié)果

3.1 關(guān)鍵桿件內(nèi)力

各區(qū)單體結(jié)構(gòu)通過連廊和大跨桁架連接在一起，連接區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度突變，強震作用下最容易發(fā)生破壞。本項目中在大區(qū)和小三角區(qū)10 m(22 m)處支撐大桁架的牛腿柱和懸挑梁作為塔樓與連接體的傳力構(gòu)件，在地震作用下，其受力最復雜，對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全性尤為重要，所以選取連接處的8根柱子和支撐大桁架的懸挑梁為研究對象，分析其在不同工況下的地震響應。關(guān)鍵部位牛腿柱和梁的位置編號見圖5，括號內(nèi)外分別表示頂層(標高22 m)和2層(標高10 m)的關(guān)鍵桿件。

圖5 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件及支座編號Fig.5 Number of key structural members

1) 柱內(nèi)力時程曲線

分析表明N1，N3，N5和N6這4根柱子受力較大，僅選取這四根柱子進行分析。由圖6可知，小三角區(qū)N1，N3兩根柱子內(nèi)力變化較明顯，50年地裂縫作用下增幅分別為20.1%、16.5%，軸力增長幅度較大。大區(qū)N5，N6柱子隨著地裂縫作用的增強其內(nèi)力幾乎未發(fā)生變化，50年地裂縫作用下增幅低于5%，增長幅度較小。大區(qū)整體較規(guī)則，并且剛度較大，受地裂縫活動影響較小，而小三角區(qū)極其不規(guī)則，且剛度較小，受到地裂縫活動影響較敏感，應重點加強小三角區(qū)關(guān)鍵部位柱子的設(shè)計。

圖6 EL-Centro波作用時柱子軸力時程曲線Fig.6 Axial force time history curve of column under EL-Centro wave action

2) 混凝土梁內(nèi)力時程曲線

在地震作用下，小三角區(qū)支撐連接體鉸接端的受力較為復雜，因此僅選取支撐大桁架鉸接端的懸挑梁作為研究對象，桿件的具體位置見圖5。

圖7為EL-Centro波作用下關(guān)鍵部位的梁在不同地裂縫下的彎矩時程曲線。從圖7中可知，隨著地裂縫作用的增強，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的混凝土梁內(nèi)力逐漸增大。同時可以發(fā)現(xiàn)同一層鉸接處的兩根關(guān)鍵梁，靠近內(nèi)側(cè)的梁L1和L6受力較小，而靠近外側(cè)的梁L2和L7受力較大，分析原因為小三角區(qū)整體結(jié)構(gòu)極其不規(guī)則，地震作用下，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應特別大，導致外側(cè)框架梁出現(xiàn)應力集中，受力陡增，因此在設(shè)計時要重點加強小三角區(qū)放置鉸接端支座的外側(cè)梁，采取增大截面的方式對其進行加固。

3.2 連廊及桁架變形最大處的支座滑移曲線

由于結(jié)構(gòu)頂層的變形最大，因此選取連廊左右邊跨位置的兩個支座A、H和疊層桁架頂層端部的兩個滑動支座I、L作為研究對象，支座具體位置見圖5。提取4個支座的相對位移時程曲線，確定支座的最大滑移量，為后面的支座設(shè)計提供依據(jù)。EL-Centro波作用時桁架和連廊處的支座在不同地裂縫下的位移時程曲線見圖8。由圖8中的變化趨勢可知，地裂縫的活動雖對支座的相對滑移有影響，但影響并不大，不同活動量的地裂縫作用下支座位移時程曲線基本重合。但不論是桁架還是連廊處，支座的滑移曲線均隨地裂縫作用的增強而增大，最終在50年達到最大值。桁架滑動端的支座最大滑移量為146 mm，出現(xiàn)在5-L處，位于桁架頂層靠近最外側(cè)的支座處。連廊處滑動端的支座最大滑移量為152 mm，出現(xiàn)在5-A處，位于連廊頂層最左邊。桁架同一標高處的幾個滑動支座的位移時程曲線位移值從上到下依次遞減，靠近最內(nèi)側(cè)的I支座滑移值最小，連廊同一標高處的幾個滑移支座的位移時程曲線從左到右逐漸減小，靠近最右邊的支座滑移值最小，可見靠近外側(cè)的支座滑移量最大，對靠近外側(cè)的滑動支座要采取一定的限位措施，防止連接體墜落。

3.3 層間位移角

由圖9可知，在EL-Centro波作用時，三個建筑單體的大部分樓層均超出了彈性層間位移角 1/800限值的要求，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/118，整體側(cè)移值較小，滿足1/100框剪結(jié)構(gòu)塑性層間位移角的要求，表明在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)部分樓層已進入塑性屈服狀態(tài)，滿足“防治倒塌”的性能目標。

圖9 EL-Centro波作用時結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.9 Interlayer displacement angle of structure under EL-Centro wave action

3.4 層間剪力

層間剪力是結(jié)構(gòu)抗震分析的一個重要衡量指標。圖10為EL-Centro波作用時復雜連體結(jié)構(gòu)在不同地裂縫活動量下的層間剪力。

由圖10可知，越靠近底部結(jié)構(gòu)受地裂縫的影響越大，地裂縫活動引起了上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，造成底部更易受地裂縫活動的影響。各區(qū)層間剪力隨著樓層的增大而減小，小三角區(qū)的層間剪力變化最大，EL-Centro波作用下底層X向的層間剪力最大增幅為27.54%，大三角區(qū)在地裂縫作用下增大了10.42%，其他樓層增幅均小于5%。小三角區(qū)和大三角區(qū)結(jié)構(gòu)布置極其不規(guī)則，剛度較小，且分布不均，地裂縫沉降對其影響更為敏感。

4 結(jié)論及建議

本文以西安火車站改擴建項目東配樓為背景，對該跨越地裂縫的復雜連體結(jié)構(gòu)進行了非線性時程分析，根據(jù)罕遇地震下不同地裂縫沉降量的結(jié)果，得到如下結(jié)論和建議。

1) 地裂縫隨沉降量的增大，對上部框架結(jié)構(gòu)的不利作用也越大，考慮50年地裂縫活動發(fā)展，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件的內(nèi)力變化在10%～20%左右。

2) 地裂縫對小三角區(qū)影響較大，建議對小三角區(qū)支撐連接體鉸接支座處的梁柱桿件及大小三角區(qū)的角柱采取加固措施，避免該連體結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域局部失效。

3) 在8度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角、層間剪力均隨著地裂縫作用的增強而增大，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/118，整體側(cè)移值較小，滿足規(guī)范的限值要求，超過彈性狀態(tài)的層間位移角限值，說明框架結(jié)構(gòu)部分區(qū)域已進入塑性，在罕遇地震作用下滿足“防治倒塌”的性能目標。

4) 在罕遇地震動激勵下50年地裂縫作用下的結(jié)構(gòu)最大滑移量為152 mm，建議設(shè)置可調(diào)節(jié)滑動支座，通過調(diào)節(jié)支座水平向和豎向的位移以適應地裂縫的蠕動變形，減弱地裂縫活動對結(jié)構(gòu)的不利影響，保障結(jié)構(gòu)的安全。