孫海峰
1)中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱150080
2)黑龍江省地震局,哈爾濱150090
地下結(jié)構(gòu)地震破壞機理研究
孫海峰1,2)
1)中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱150080
2)黑龍江省地震局,哈爾濱150090
為了解決車輛增多,城市交通擁擠等一系列問題,我國大中城市相繼開展了大規(guī)模的地鐵建設(shè)。我國已建成地鐵和有地鐵規(guī)劃的城市中有很多地區(qū)處于地震高發(fā)地帶,地下結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生震害,修復(fù)困難、代價昂貴,也將對其周圍的結(jié)構(gòu)造成不利的影響。大規(guī)模的地鐵建設(shè)使地鐵抗震問題成為城市工程抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究的重要課題。本文在總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究的基礎(chǔ)上,對地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律和地下結(jié)構(gòu)破壞機理進行研究,取得了如下研究成果:
在總結(jié)國內(nèi)外研制疊層剪切箱的基礎(chǔ)上,首次設(shè)計并制作了國內(nèi)最大的剛度可調(diào)的、可用于進行大型三維模擬振動臺試驗的三維疊層剪切模型箱。通過地震模擬振動臺的實際測試和檢驗,驗證了該剪切箱可使地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動臺試驗較好地模擬半無限域中地下結(jié)構(gòu)三維地震反應(yīng)。
利用已研制的三維疊層剪切模型箱完成了一系列不同土層、不同工況的地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動臺試驗。國內(nèi)首次在地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗中,在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置攝像頭進行視頻監(jiān)控。對試驗的宏觀現(xiàn)象和選取的兩次典型試驗的數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)視頻監(jiān)控錄像進行了詳細分析。通過對比研究土層和地下結(jié)構(gòu)加速度和頻譜響應(yīng)規(guī)律以及對地下結(jié)構(gòu)應(yīng)變、卓越頻率衰減量規(guī)律和結(jié)構(gòu)內(nèi)視頻監(jiān)控錄像的分析,初步揭示了黏土層中地下結(jié)構(gòu)的震害機理與破壞模式。在地震荷載作用下,不同深度土體的剪切變形使地下結(jié)構(gòu)發(fā)生的層間相對位移是導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。地下結(jié)構(gòu)震害以柱頂及頂板和樓板與側(cè)墻的節(jié)點處破壞為主,并且破壞程度隨埋深的減小而增大。
通過對本次大型模擬振動臺試驗結(jié)果及對大開車站中柱破壞現(xiàn)象的分析,揭示了神戶大開車站地震破壞機理:車站周圍土層的剪切運動導(dǎo)致大開車站產(chǎn)生層間相對位移,層間相對位移使車站中柱頂部和底部產(chǎn)生了較大的剪力和彎矩,過大的剪力和彎矩導(dǎo)致混凝土中柱出現(xiàn)裂縫、剝落,此時,中柱的鋼筋已經(jīng)失去保護層,承載力降低,隨著層間相對位移的往復(fù)運動,中柱鋼筋逐漸彎曲形成“燈籠形”,核心混凝土在失去外部鋼筋承載力后,隨著層間相對位移的繼續(xù)往復(fù)運動,核心混凝土逐漸破裂脫落,最終導(dǎo)致了車站的破壞。層間相對位移也在頂板和樓板與側(cè)墻節(jié)點處產(chǎn)生較大的彎矩,在豎向荷載和層間相對位移的共同作用下,頂板和樓板與側(cè)墻節(jié)點處出現(xiàn)裂縫,最終破壞。
完成了可液化砂土層中地下結(jié)構(gòu)大型模擬振動臺試驗。通過對比可液化砂土層中和黏土層中地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗中加速度放大系數(shù)、應(yīng)變、卓越頻率衰減量規(guī)律和結(jié)構(gòu)內(nèi)視頻監(jiān)控錄像可以發(fā)現(xiàn),相同峰值地震動輸入時,相同埋深處的黏土層中地下結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)、應(yīng)變及卓越頻率衰減量大于砂土層中地下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù),這表明砂土液化對地下結(jié)構(gòu)有減震作用。從試驗后檢驗也可發(fā)現(xiàn),液化后的土體中,試驗?zāi)P蜎]有明顯的破壞,但液化后由于孔隙水壓力增加,使得模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯上浮,當(dāng)孔壓消散后,模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了沉降。對于本次試驗,由于砂土層是水平成層的,試驗?zāi)P蛢H是獨立的地鐵車站模型,結(jié)構(gòu)上浮或沉降基本上是均勻的,而在實際地鐵工程中,隧道或地鐵車站多處于不均勻土層中,液化后將導(dǎo)致嚴重的不均勻上浮或沉降,這將引起隧道或結(jié)構(gòu)的斷裂等嚴重破壞。
為了實現(xiàn)在ABAQUS中用有限的模型土模擬半無限空間土體,探索了將加速度時程轉(zhuǎn)化為力時程,并在底邊界添加阻尼器的方法來實現(xiàn)在ABAQUS應(yīng)用粘性邊界條件的方法,并通過波源問題和散射問題證明了此方法的合理性。
分別建立了模型試驗及原型地鐵車站三維有限元數(shù)值模擬模型,并將粘性邊界條件及土體等效非線性化模型參數(shù)確定方法引入ABAQUS。通過對比模型試驗結(jié)果和模型數(shù)值模擬結(jié)果,檢驗了振動臺試驗和數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。對原型結(jié)構(gòu)的三維有限元數(shù)值模擬進一步揭示了地下結(jié)構(gòu)地震破壞機理:層間相對位移是多層地下結(jié)構(gòu)破壞的主要原因,頂層柱頂和樓板與墻、柱節(jié)點處容易發(fā)生彎剪破壞,是整個地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)中最薄弱環(huán)節(jié)。
(作者電子信箱,孫海峰:sunhaifeng3639@163.com)
P315.9;
A;
10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.012
振動臺試驗;數(shù)值模擬;邊界條件;有限元;層間相對位移