王士軍

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 458030）

1 概述

近幾十年來(lái)，地下結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題日益受到重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針地下結(jié)構(gòu)問(wèn)題做了很多研究工作。在實(shí)驗(yàn)研究中，振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)法因其能夠較方便地進(jìn)行材料選取和配比，且能直觀地把握地下結(jié)構(gòu)物的地震響應(yīng)特性，而被廣泛應(yīng)用，但由于其資金和時(shí)間問(wèn)題，目前盡可在少數(shù)地區(qū)部門(mén)可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，而實(shí)際工程在時(shí)間上和資金上都需要能快速得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為設(shè)計(jì)施工提供相應(yīng)依據(jù)，通常采用模擬實(shí)驗(yàn)比較常見(jiàn)，ANSYS軟件在建模是有多種方式可選，可以自頂向下、自底向上或者兩者混合運(yùn)用建立簡(jiǎn)單或者復(fù)雜的幾何模型，通常是經(jīng)過(guò)各種布爾運(yùn)算和操作建立所需幾何實(shí)體，由于其優(yōu)越性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)的一致性，是目前我們研究地下結(jié)構(gòu)抗震運(yùn)用較多的軟件。

本文選用已建好的地鐵五號(hào)線某車站結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，基于ANSYS大型有限元軟件，重點(diǎn)分析該車站結(jié)構(gòu)在罕遇地震及頻遇地震作用效應(yīng)，研究其抗震情況下位移及內(nèi)力的大小及分布規(guī)律，為天津及全國(guó)其他軟土地區(qū)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)。

2 建立模型

2.1 采用的計(jì)算模型、材料參數(shù)以及分析步驟

本文建立地鐵車站三維模型，為了對(duì)比分析，在抗震分析中建立模型，模型的結(jié)構(gòu)部分用土體填充，即：由土體和三個(gè)方向的彈簧單元組成的自由場(chǎng)模型。并施加重力荷載進(jìn)行靜力平衡計(jì)算，之后設(shè)定動(dòng)力條件，輸入地震波，實(shí)施相應(yīng)的動(dòng)力響應(yīng)分析。本文中地震加速度采用三個(gè)方向輸入的方式對(duì)所建模型進(jìn)行瞬態(tài)抗震分析，輸入的地震波為寧河天津波，“中國(guó)天津（1976）地震豎向記錄”，天津波的記錄時(shí)長(zhǎng)為5s，時(shí)間間隔為0.01s，場(chǎng)地為第三類，記錄信號(hào)為豎向加速度。在本次研究輸入之前，對(duì)原始的記錄數(shù)據(jù)做了部分調(diào)整。依據(jù)我國(guó)地震局烈度表，地面運(yùn)動(dòng)的水平峰值加速度a的平均值分別為0.125g，0.25g，0.5g分別為基本烈度7，8，9度相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，模型所在場(chǎng)地的基本烈度為7，則對(duì)于天津記錄av/avmax=0.125g/2/73.14=1.5，所以天津波應(yīng)該乘以1.5這個(gè)修正系數(shù)之后使用。

（1）本文研究所采用的土的模型為Drucker-prager本構(gòu)模型。該模型的建立是在考慮靜水壓力的Drucker-prager屈服準(zhǔn)則原則上建立的。

（2）在本次地鐵車站結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。車站結(jié)構(gòu)的材料為鋼筋混凝土，彈性模量為28.5GPa，密度為2500Kg/m3，泊松比為0.2。

圖1 整體有限元和車站結(jié)構(gòu)模型

2.2 土體與結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力包絡(luò)圖

在本文分別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行抗震計(jì)算，一共計(jì)算了5s，每0.1s輸出了一步長(zhǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)，所以最后總得到結(jié)果數(shù)據(jù)為幾十組，通過(guò)了對(duì)這幾十組結(jié)果數(shù)據(jù)中的x，y，z三個(gè)方向的位移值和三個(gè)方向的應(yīng)力值進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最終得到了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)模型中土體的x，y，z三個(gè)方向的位移包絡(luò)圖和x，y，z三個(gè)方向的應(yīng)力包絡(luò)圖，Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)模型中結(jié)構(gòu)的x，y，z三個(gè)方向的位移包絡(luò)圖。

圖2 土體x方向位移包絡(luò)圖

圖3 土體y方向位移包絡(luò)圖

圖4 土體z方向位移包絡(luò)圖

2.3 對(duì)比分析

（1）在X方向上正向位移，三個(gè)模型在0～2s正向最大位移變化一樣的，而2s以后，模型A與模型C的變化時(shí)幾乎可看成在一條線上，同時(shí)在第3s達(dá)到最大為0.069，然后逐漸變小直到第4s達(dá)到最小后才有發(fā)生逐漸變大的趨勢(shì)；而模型B在第2～3.5s之間曲線成逐漸上升直到3.5s附近達(dá)到最大值0.1013（其值大于A、B模型在該方向的值），而后逐漸下降直到4.3s左右趨于零。

（2）在X負(fù)向上的位移，三個(gè)模型在0～4.3s的變化曲線是相似的，A、C模型變化可看成在一條線上，在0～2s曲線在負(fù)向位移絕對(duì)值呈逐漸增大的趨勢(shì)直到第2s時(shí)達(dá)到第一個(gè)負(fù)向最大的絕對(duì)值即0.044，而B(niǎo)模型的負(fù)向絕對(duì)值為0.062大于其他兩個(gè)模型的值，隨后三個(gè)模型位移絕對(duì)值都逐漸減小直到2.5秒幾乎為零，2.5～3.6s其變化曲線幾乎成一條直線不變，3.6～4.3s三個(gè)模型的變化曲線呈現(xiàn)負(fù)向絕對(duì)值增大的趨勢(shì)，在4.3秒附近A、C模型達(dá)到負(fù)向絕對(duì)值最大分別為0.074和0.072，隨后又呈現(xiàn)負(fù)向絕對(duì)值逐漸減小的趨勢(shì)，而對(duì)于B模型在4.3～4.9s繼續(xù)呈現(xiàn)負(fù)向絕對(duì)值增大的趨勢(shì)直到4.9秒時(shí)達(dá)到第二個(gè)負(fù)向絕對(duì)值最大即0.116（此值在負(fù)向上位移絕對(duì)值最大），而后又呈現(xiàn)負(fù)向絕對(duì)值逐漸減小的曲線

（3）在Y方向正向位移，三個(gè)模型位移包絡(luò)線在0～2s時(shí)曲線幾乎呈現(xiàn)一條直線，2～3.1s模型A,C的正向位移包絡(luò)線呈現(xiàn)曲線逐漸上升，在3.1s分別達(dá)到最大值為0.106和0.113，3.1～4s模型A，C表現(xiàn)為逐步下降的曲線，在4s趨近于零，而后便沒(méi)有多大的變化趨勢(shì)。而模型B在2～3.5s是曲線顯示為上升，直到在3.5s是位移達(dá)到最大0.131。3.5～4.2s曲線呈下降段直到接近于零，而后幾乎沒(méi)有多大的變化。

（4）在Y方向的負(fù)向位移，對(duì)于模型A、C在0～1.9s時(shí)曲線下降，但是位移絕對(duì)值呈增大階段，直到在1.9s時(shí)達(dá)到第一個(gè)絕對(duì)值最大點(diǎn)，其值分別為0.064、0.070。1.9～2.4s曲線呈上升階段，位移絕對(duì)值減小至零，2.4～3.7s幾乎趨近零，3.7～4.7s曲線表現(xiàn)為下降階段，位移絕對(duì)值增大，在4.7s時(shí)達(dá)到第二個(gè)最大點(diǎn)，位移絕對(duì)值分別為0.124、0.122。而后曲線有上升。對(duì)于模型B，0～2.1s曲線為下降段，位移絕對(duì)值增大，在2.1s時(shí)達(dá)到第一個(gè)絕對(duì)值最大點(diǎn)，即0.074，2.1～3.8s曲線上升，位移絕對(duì)值減小至零，3.8～4.9s曲線下降，位移絕對(duì)值達(dá)到第二個(gè)最大點(diǎn)，即0.150。

（5）在Z方向正向位移，三個(gè)模型的曲線變化復(fù)雜，但總體是呈上升的曲線，模型A在4.5s時(shí)達(dá)到最大值0.029，模型B在5s時(shí)達(dá)到最大值0.044，模型C在4.1s時(shí)達(dá)到最大值0.028。在負(fù)向上，三個(gè)模型的曲線同樣是復(fù)雜多變的，總體上成下降階段，而位移絕對(duì)值增大，A模型在4.5s達(dá)到絕對(duì)值最大為0.027，B在4.9s發(fā)生最大絕對(duì)位移值是0.039，C在4.1s呈現(xiàn)出絕對(duì)值最大為0.028

通過(guò)以上可知，地震載荷對(duì)土體產(chǎn)生的響應(yīng)主要集中在 4～5s，可見(jiàn)此階段是地震作用對(duì)土體的影響是最大的。在X、Y方向上正負(fù)位移值較大，故此在考慮地震作用影響時(shí)需要考慮這兩個(gè)方向。

3 結(jié)論

對(duì)天津軟土地基中地鐵車站結(jié)構(gòu)在不同模型下對(duì)地震波作用下的地震動(dòng)力反應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，總結(jié)出了一些地震動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)如下：

（1）在地震作用下， X、Y方向受地震動(dòng)影響的時(shí)間較長(zhǎng)，而Z方向受其影響較短，所以在考慮地震動(dòng)影響時(shí)可以首先考慮X、Y兩個(gè)方向的影響。通過(guò)豎直邊界不同取值建模對(duì)比分析，可得由于豎向土體選取的不同，受地震作用的影響也不同，主要是隨著豎向土體的增加，地震作用對(duì)土體的地震響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，地結(jié)構(gòu)地震動(dòng)反應(yīng)受周圍土層的影響明顯，

（2）通過(guò)測(cè)點(diǎn)分析，中柱、底部、側(cè)邊墻以及頂板中部的變形比較大，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。