软土中浅埋地铁车站结构的抗震性能分析

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 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。

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。

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。

2.3 加速度分析参照 文献 [7] 方法 ,得到频响函数(图

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4、图

1

5),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:[2] 于 翔,钱七虎,赵跃堂,等.地铁工程结构破坏的竖向地震力影响分析[J].解放军理工大学学报[J].JournalofPLAUniversityofScienceandTech-nolog,2001,2

(3):75-77[4] 陶明星.土-地下结构动力相互作用有限元分析[D].西安:西北 工业 大学,2004TaoMX.FEManalysisondynamicinteractionofsoilandundergroundstructure[D].Xi′an:NorthwesternPolytechnicalUniversity,2004

[5] 刘晶波,吕彦东.结构-地基动力相互作用 问题 分析的一种直接方法[J].土木工程学报,1998,31

(3):55-64LiuJB,Lu¨YD.Adirectmethodforanalysisofdy-namicsoil-structureinteraction[J].ChinaCivilEngi-neer-ingJournal,1998,31

(3):55-64

[6] 晏成明.大跨度地下结构动力 计算 模型研究[D].南京:河海大学,2003

YanCM.Studyondynamicnumerationmodelforlarge-spanundergroundstructure[D].Nanjing:HohaiUniversity,2003