劉金波

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

軟土中地鐵結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)淺述

劉金波

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

在不同地震作用力下研究力學(xué)方面非線性地震反應(yīng)是十分必要的。本文分析了回填土密實(shí)度及地連墻對(duì)車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的變形沿高度方向增加；地鐵車站中柱頂、底受到交替拉壓應(yīng)力，且出現(xiàn)較大的拉伸損傷，是抗震薄弱部位。

軟土；地鐵結(jié)構(gòu)；非線性地震反應(yīng)

一、有限元模型介紹

這篇文章分析的地鐵結(jié)構(gòu)中車站選用2層雙柱3跨結(jié)構(gòu)，左﹑中﹑右跨別離寬7.05米﹑5.50米﹑7.05米，邊墻厚度為0.80米；寬21.2米，車站結(jié)構(gòu)高12.49米，上層高3.55米，底層層高7.09米，底﹑中﹑頂板厚度別離為0.80米﹑0.35米﹑0.70米；中柱直徑0.80米，底層中柱有0.90米×0.90米×1.10米的柱承臺(tái)，柱距離9.0米；隧道到底板和邊墻的距離別離為0.40米和0.22米，襯砌結(jié)構(gòu)外徑6.2米，管片厚0.35米。樓板與側(cè)墻的相交處做加掖處理，沿車站軸線方向在中柱與頂板﹑中板的銜接處設(shè)置縱梁。

通過引入損傷因子，來反映混凝土準(zhǔn)脆性材料在周期性動(dòng)荷載作用下后續(xù)屈服的損傷機(jī)理，分別選用兩個(gè)損傷變量來描寫混凝土受壓損壞和受拉時(shí)兩個(gè)不同的剛度減弱。車站結(jié)構(gòu)選用C30混凝土，地鐵選用C50混凝土，其物理參數(shù)見表1。土體選用均質(zhì)土層，以某市區(qū)典型粉質(zhì)黏土為例進(jìn)行模仿，為探求規(guī)則起見，視土體為彈塑性體，遵守ohr-Coulob屈從原則，土體重度γ=19kN/米3，內(nèi)摩擦角φ=25°，黏聚力c=20kPa，緊縮模量Es=5Mpa泊松比v=0.3。

地鐵結(jié)構(gòu)長度24米。模型中選用自在場邊界條件進(jìn)行動(dòng)力分析，為消除邊界對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反響的影響，根據(jù)已有研討，地基寬度取結(jié)構(gòu)寬度的11倍，即240米，高為120米，前后間隔54米，從模型底部水平向輸入地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析。在靜力分析時(shí)側(cè)向邊界選用水平向束縛和豎向自由的滾軸邊界，在動(dòng)力分析中選用側(cè)向邊界水平向自由和豎向束縛的滾軸邊界，頂面皆為自由變形邊界。(見表1)

二、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)結(jié)果及分析

1﹑軟土側(cè)向大變形是形成地下結(jié)構(gòu)嚴(yán)重震害的主要因素，地下結(jié)構(gòu)可能會(huì)因土體變形過大而發(fā)作損傷甚至破壞。在El-Centro波和天津波作用下，車站側(cè)墻頂﹑底之間的最大相對(duì)水平位移發(fā)生在左擺時(shí)，位移峰值分別為0.86厘米0.33厘米，人工波作用時(shí)最大相對(duì)水平位移發(fā)生在右擺時(shí)，位移最大值為0.73厘米。在El-Centro波作用下，地鐵洞頂﹑底之間的最大相對(duì)水平位移發(fā)生在左擺時(shí)，相對(duì)水平位移峰值為0.13厘米，在天津波和人工波激震下，最大相對(duì)水平位移發(fā)生在右擺時(shí)，最大值分別為0.31厘米和0.30厘米。由上述計(jì)算結(jié)果可知，關(guān)于車站側(cè)墻和地鐵結(jié)構(gòu)水平位移沿高度的變化趨勢是同時(shí)的，都是從下往上逐漸加大，結(jié)構(gòu)頂部的水平位移反響最大，表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)水平剛度較小的特點(diǎn)。

2﹑因?yàn)榈卣鹱饔脮r(shí)截面應(yīng)力情況隨時(shí)間不斷改變，應(yīng)力情況不足以反映結(jié)構(gòu)的地震反響，所以選用損傷程度和應(yīng)力情況同時(shí)描繪結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度。損傷指數(shù)代表著結(jié)構(gòu)的地震損傷程度，損傷指數(shù)0和1別為結(jié)構(gòu)完全無損傷和完全損傷情況。研究標(biāo)明，在地震作用下，混凝土結(jié)構(gòu)主要發(fā)生受拉損傷，受壓損傷程度較小，

因此本文僅就結(jié)構(gòu)的拉伸損傷指數(shù)dt進(jìn)行分析。當(dāng)dt＞0時(shí)，混凝土開始出現(xiàn)拉伸裂縫；當(dāng)dt＞0.75時(shí)，混凝土由微觀裂縫進(jìn)入微觀裂縫期間，裂縫逐漸貫穿，損傷值接近于1時(shí)，混凝土徹底喪失抗拉強(qiáng)度和沿裂縫方向的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)不同的地震波作用下結(jié)構(gòu)的受拉損傷云圖，能夠看出，與結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移反應(yīng)相似，El-Centro波對(duì)結(jié)構(gòu)的拉伸損傷影響顯著小于天津波和人工波。地鐵結(jié)構(gòu)因?yàn)檫x用C50混凝土而且未考慮接頭螺栓的作用，并未出現(xiàn)顯著損傷，結(jié)構(gòu)的拉伸損傷集中于車站結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入El-Centro波時(shí)，車站最大拉伸損傷指數(shù)dt=0.7730，出現(xiàn)于上層中柱底部，模型中塑性損傷單元數(shù)較少，并未貫穿中柱橫截面；在天津波和人工波作用下，車站中柱出現(xiàn)較大面積的塑性損傷，拉伸損傷指數(shù)dt分別達(dá)到了0.9439和0.9582，發(fā)作在上層中柱頂部，而且在柱頂﹑底處有裂縫貫穿橫截面的趨勢，這些部位的混凝土有喪失抗拉強(qiáng)度和水平向抗剪強(qiáng)度的危險(xiǎn)。

結(jié)語

地鐵結(jié)構(gòu)中柱頂﹑底端是抗震最不利部位，在地震作用下，中柱受到較大的應(yīng)力，或許逾越其極限承載力而發(fā)生損壞；車站與地鐵連接處的墻體在地震作用下也會(huì)出現(xiàn)一定程度的拉伸損傷，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視；地震波的頻譜特性明顯影響地鐵地下結(jié)構(gòu)的震害程度，土體對(duì)高頻地震波存在濾波作用，對(duì)低頻地震波起到擴(kuò)大效應(yīng)。地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)程度由地震動(dòng)特性及周圍土體特性同時(shí)決定。

[1]左熹，陳國興，王志華，等.軟弱場地上地鐵車站結(jié)構(gòu)近遠(yuǎn)場地震[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，(12)：299-301.

[2]王國波，馬險(xiǎn)峰，楊林德.軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)及隧道的三維地震響應(yīng)分析[J].巖土力學(xué)，2010，(8)：252-254.

表1 混凝土動(dòng)力本構(gòu)模型參數(shù)