龐驄驄，丁海平，2

(1.蘇州科技學(xué)院江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011；2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

地震作用下建筑結(jié)構(gòu)振動的數(shù)值模擬，是結(jié)構(gòu)抗震分析研究的主要方法之一。土-結(jié)構(gòu)相互作用一直是抗震分析研究的重點(diǎn)。隨著計算機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震有限元分析趨于走向三維數(shù)值模擬，在土-結(jié)構(gòu)相互作用分析中，Penzien模型[1、2]和平面模型[3、4]逐漸被替代。一些學(xué)者利用土-樁-結(jié)構(gòu)三維模型對結(jié)構(gòu)在地震作用下的影響參數(shù)作了研究[5、6]，一些學(xué)者也做了數(shù)值模擬與振動臺試驗(yàn)的比較[7、8]，實(shí)際的工程中，土層勘測的鉆孔不多，這些研究中的土層模型基本都假定為水平成層，考慮土層有傾角的研究不多。

地震觀測是為了研究地震地面運(yùn)動規(guī)律和結(jié)構(gòu)抗震性能而發(fā)展起來的一個研究方向，其中結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣是為了解和掌握工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下的反應(yīng)性狀而專門設(shè)立的。對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)震觀測，并分析結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的反應(yīng)過程，是提高結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計水平進(jìn)而減輕地震破壞的一種非常好的手段。因?yàn)榈卣鸱磻?yīng)一旦被記錄，可以得到大量結(jié)構(gòu)抗震性能方面的觀測數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于進(jìn)行了一次原型結(jié)構(gòu)振動試驗(yàn)[9]。所以歐美等發(fā)達(dá)國家一向非常重視這項(xiàng)工作[10～12]。中國自80年代以來，在地震觀測方面得到迅速發(fā)展，大量的典型工程結(jié)構(gòu)上架設(shè)了強(qiáng)震觀測儀器[13]，由此，汶川（2008）、攀枝花（2008）、姚安（2009）等多次地震中，均有工程結(jié)構(gòu)獲得了地震反應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)。利用這些資料，研究者們可以開展大量的工作。

本文選用大型有限元軟件Abaqus，對云南省人民政府防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急指揮中心建立土-樁-結(jié)構(gòu)模型，考慮到實(shí)際的土介質(zhì)模型比較復(fù)雜，將土分為水平成層和有傾角成層2種模型，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)地震觀測的結(jié)果進(jìn)行了比較，從而反映兩種模型在真實(shí)動力響應(yīng)下的影響。

1 建筑結(jié)構(gòu)概況

指揮中心大樓建于昆明市北郊，為現(xiàn)澆框架-剪力墻結(jié)構(gòu)(圖1)，同時也是一幢結(jié)構(gòu)反應(yīng)觀測臺陣，其平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。該高層建筑主樓地上十層，底層層高2.75 m，一層層高4.5 m，其余每層層高3.9 m，地下一層，層高4.5 m。副樓三層，一、二層層高4.2 m，三層層高5.1 m。主樓建筑總高度39.3 m，長46.8 m，寬15.6 m；副樓長18 m，寬15.6 m，總建筑面積6 787.1 m?，F(xiàn)澆樓板厚度為0.13 m，柱子尺寸一到五層外柱0.6 m*0.6 m，內(nèi)柱0.7 m*0.7 m，六到九層外柱0.5 m*0.5 m，內(nèi)柱0.6 m*0.6 m，梁尺寸為0.35 m*0.65 m，底層剪力墻厚度為0.35 m、0.3 m，二層剪力墻厚度為0.35 m、0.3 m、0.25 m，三四層剪力墻厚度為0.35 m、0.25 m，五層及以上剪力墻厚度為0.35 m、0.25 m、0.2 m，基礎(chǔ)采用樁-箱基礎(chǔ)，箱基頂板厚0.18 m，底板厚0.5 m，箱基墻后0.4 m。樁截面為0.35 m*0.35 m?；炷翉?qiáng)度等級：梁和樓板采用C30，柱和剪力墻采用C50，承臺與樁采用C50混凝土。

圖1 防災(zāi)減災(zāi)中心效果圖Fig.1 Effect drawing of disaster prevention and mitigation Center

圖2 主樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖(星號為加速度儀位置)Fig.2 Plane graph of main building standard layer(star:accelerograph position)

2 模型建立

由于本文缺少鉆孔的詳細(xì)資料，所以由表1假定了2種土介質(zhì)模型(圖3、4)，即水平成層和有傾角成層模型。為了簡化分析模型，對場地條件相應(yīng)調(diào)整，調(diào)整后的場地土層參數(shù)見表2。水平成層模型(圖3)即按場地條件分為三個水平層建模；有傾角成層模型(圖4)，其在水平成層模型的基礎(chǔ)上，于一層和二層的交界面，沿交界面對稱軸轉(zhuǎn)動5度，形成一個傾斜的平面建模。土介質(zhì)模型的人工邊界條件為：側(cè)面為滾軸邊界，底面為粘性邊界。土體的尺寸，平面為78 m*78 m，深度為36.15 m。

表1 土層條件Table 1 Soil condition

表2 模擬中簡化后的場地條件Table 2 Simplified soil condition in model

圖3 水平成層模型Fig.3 Horizontal layering model

圖4 有傾角成層模型Fig.4 Inclined layering model

在土-樁-結(jié)構(gòu)整體模型中，結(jié)構(gòu)的梁和柱采用梁單元，剪力墻和樓板采用殼單元。樁承臺、樁以及土體采用實(shí)體單元。使用ABAQUS相互作用模塊中的EMBEDDED將樁(圖5、6)嵌入到土體中去。由于記錄到的地震動參數(shù)較小，在本文的數(shù)值模擬中，所有的結(jié)構(gòu)材料均假定為線彈性體系。上部結(jié)構(gòu)模型的阻尼比選定為0.03，土體阻尼比為0.05，模型采用單向輸入地震波。

圖5 樁基礎(chǔ)模型Fig.5 Pile foundation model

圖6 土-樁-結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Soil-pile-structure model

3 地震波的選取

作為一幢結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣，該大樓在地下室、一層、二層、四層、六層、八層和九層等7個樓層分別布置了三分量加速度儀(圖7)，儀器所在的平面位置見圖2。2009年姚安地震時，共獲得了七組三分量的加速度反應(yīng)記錄，記錄的持續(xù)時間大約為105 s。從地下室和九層處的地震反應(yīng)記錄看，結(jié)構(gòu)東西向最大峰值加速度分別為4.9 gal和8.0 gal，南北向最大峰值加速度分別為6.8 gal和21.9 gal。本文的土-樁-結(jié)構(gòu)模型需要從土體底部進(jìn)行地震波輸入，利用地下室觀測點(diǎn)的地震記錄(圖8a、8b)對土層進(jìn)行地震波反演[14]，獲得土層底部的輸入地震波(圖 8c、 8d)。

4 結(jié)構(gòu)時程響應(yīng)分析

圖7 加速度儀位置圖Fig.7 Accelerograph position

圖8 地下室地震記錄和反演波Fig.8 Seismic record and inverting wave in basement

基于上述線彈性土-結(jié)構(gòu)相互作用水平成層模型和有傾角成層模型，并以姚安地震反演得到的加速度數(shù)據(jù)作為輸入，采用Abaqus有限元軟件計算了云南省人民政府防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急指揮中心的地震反應(yīng)，一層、二層、四層、六層、八層和九層的結(jié)構(gòu)時程反應(yīng)如圖9和圖10所示，加速度反應(yīng)譜如圖11和圖12所示，圖中的實(shí)測結(jié)果為加速度記錄。

圖9 EW方向加速度時程計算結(jié)果與觀測結(jié)果Fig.9 Calculations and observations of acceleration time-history in the EW direction

圖9中在EW方向，水平成層模型和有傾角成層模型的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果吻合較好，水平成層模型的頂層加速度峰值與觀測值的誤差為2.5%，有傾角成層模型的頂層加速度與觀測值的誤差為5%。由圖10可知在NS方向，水平成層模型模擬結(jié)果與觀測結(jié)果高度吻合，而有傾角成層模型在這一方向的結(jié)果較觀測值偏大。水平成層模型的頂層加速度峰值與觀測值的誤差為0.9%，有傾角模型的頂層加速度與觀測值的誤差達(dá)14.6%。圖11、圖12的加速度反應(yīng)譜顯示，兩種模型在EW方向上的模擬結(jié)果與觀測記錄有較好的吻合；在NS方向上有傾角成層模型的計算結(jié)果大于水平成層模型結(jié)果，并且明顯高于觀測記錄。

圖10 NS方向加速度時程計算結(jié)果與觀測結(jié)果Fig.10 Calculations and observations of acceleration response spectrum in the NS direction

圖11 EW方向加速度反應(yīng)譜計算結(jié)果和觀測結(jié)果Fig.11 Calculations and observations of acceleration response spectrum in the EW direction

圖12 NS方向加速度反應(yīng)譜計算結(jié)果和觀測結(jié)果Fig.12 Calculations and observations of acceleration response spectrum in the NS direction

5 結(jié)論

本文以Abaqus有限元軟件為計算平臺，建立了云南省防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急指揮中心的土-樁-結(jié)構(gòu)三維有限元模型，其中土體分為水平成層和有傾角成層兩種模型，運(yùn)用兩種模型基于姚安地震作用進(jìn)行了動力時程計算，并與觀測資料進(jìn)行了對比，得到以下結(jié)論：

（1）水平成層土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用模型在兩個方向上的計算結(jié)果與觀測資料吻合度很高，計算結(jié)果峰值點(diǎn)位置與觀測結(jié)果契合充分，譜幅值非常接近。

（2）有傾角成層土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用模型的頂層計算結(jié)果與觀測資料相比有明顯的放大現(xiàn)象，在NS方向體現(xiàn)的更加明顯。

（3）通過水平成層介質(zhì)模型與有傾角成層介質(zhì)模型的對比可以發(fā)現(xiàn)，傾角的存在顯著的影響了地震反應(yīng)分析的計算結(jié)果，當(dāng)我們對高層建筑進(jìn)行地震作用下的數(shù)值模擬分析時，不能忽略土層傾角的影響，介質(zhì)模型應(yīng)盡可能的與實(shí)際土層一致。

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