劉 珂，鄭泳楷，黃建華

（1、廣州港工程管理有限公司 廣州510700；2、中交四航工程研究院有限公司 廣州510220）

1 工程概況及模擬計(jì)算

1.1 工程概況

改革開放40年來，我國港口發(fā)展與建設(shè)取得了顯著的成就。位于廣州東部的黃埔老港，歷史悠久，是中國古代“海上絲綢之路”的起點(diǎn)和我國最早的一類通關(guān)口岸之一，在國際上具有很高的知名度。黃埔老港處于南海珠江河口內(nèi)，距市中心15 km，航道水深9 m。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，貨船的載貨量和吃水深度越來越大，對港口碼頭的規(guī)模和運(yùn)輸能力的要求不斷提高，黃埔老港的發(fā)展面臨的土地、水域和岸線等資源約束越來越強(qiáng)，轉(zhuǎn)型改造謀出路迫在眉睫。

根據(jù)廣州市政府和廣州港股份有限公司的發(fā)展規(guī)劃，黃埔老港的1 000 m 岸線及土地資源將全部參與轉(zhuǎn)型改造，將該地塊打造成集總部經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代金融、科技創(chuàng)新、人力資源、港航服務(wù)、高端商貿(mào)等于一體的現(xiàn)代城市綜合體［1］。

黃埔長洲一帶在第四季地層內(nèi)主要發(fā)育為三角洲相沉積物［2］，以深灰色、灰黑色淤泥、粉砂質(zhì)淤泥和淤泥質(zhì)粉砂為主，含大量貝殼和腐木，厚度在10 m以下，主要分布在本區(qū)珠江兩岸的平原地區(qū)。在改造建設(shè)的過程中，黃埔老港區(qū)原始的深厚軟土地基對后期一系列的超高層混凝土結(jié)構(gòu)和深基坑工程提出了艱巨的挑戰(zhàn)。

1.2 模擬計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）：GB 50011-2010》［3］，廣州市黃埔區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g。由于深厚軟土地基對地震波等震動荷載具有放大效應(yīng)［4］，因此對后期改造工程位于土體中的地下停車場等結(jié)構(gòu)體的抗震措施應(yīng)特別注意。根據(jù)黃埔老港區(qū)的地質(zhì)條件，利用有限差分軟件FLAC3D模擬地下結(jié)構(gòu)對地震動荷載響應(yīng)的計(jì)算，定量分析震動荷載對其產(chǎn)生的影響。地震動荷載從模型底部輸入。

模型中土層以處理并壓縮后的淤泥土為主，局部零星粉質(zhì)粘土夾中粗砂，基本為可塑狀態(tài)，空間分布均勻，均屬高壓縮性土。計(jì)算時(shí)選取土體的泊松比ν =0.34?？紤]到地震對地下結(jié)構(gòu)的破壞往往是由其橫波造成［5］，為簡化計(jì)算，將立體結(jié)構(gòu)簡化為平面應(yīng)變問題處理。計(jì)算模型大小為100 m×1 m×40 m，如圖1所示，淺色部分為土體，深色部分為地下結(jié)構(gòu)。兩者之間設(shè)有接觸面［6］，在一定條件下2 個(gè)接觸面處可能會產(chǎn)生錯(cuò)動滑移、分開與閉合。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation Model

深色部分主體結(jié)構(gòu)具體如圖2 所示，AE、BF、CG和DH 段長度均為6 m，每隔1 m（包括端點(diǎn)）取一監(jiān)測點(diǎn)，共28個(gè)，監(jiān)測其水平方向的位移和加速度。

圖2 地下結(jié)構(gòu)體Fig.2 Underground Structures

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 邊界條件和阻尼類型

在動力計(jì)算等問題中，模型的邊界條件是一個(gè)很重要的問題，這是因?yàn)檫吔缟洗嬖诘卣鸩ǖ姆瓷?，對動力分析的結(jié)果有很大的影響［7］。在對寬敞型的地面結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力反應(yīng)分析時(shí)，在模型各周圍側(cè)面的邊界條件需考慮為沒有地面結(jié)構(gòu)的自由場運(yùn)動。本文中使用的邊界條件是自由場邊界，地震動荷載可以直接以加速度-時(shí)間曲線的形式輸入，無需轉(zhuǎn)化。

選取局部阻尼作為計(jì)算阻尼，計(jì)算公式如下：

aL=π D

其中，aL為局部阻尼系數(shù)；D 為臨界阻尼比，D 取值0.05［8］，可計(jì)算得出aL=0.157 1。

2.2 動荷載選取與修正

動荷載選用2008年汶川地震的前10 s地震波進(jìn)行模擬計(jì)算，前10 s內(nèi)最大加速度為2.28 m/s2（0.23 gal），達(dá)到了8級的強(qiáng)度。加速度-時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3 地震波加速度-時(shí)間曲線Fig.3 Seismic Acceleration-Time Curve

在數(shù)值模擬中，如果直接使用未經(jīng)基線調(diào)整的地震加速度時(shí)程，則會造成計(jì)算的結(jié)果偏大，夸大了地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。這是由地震積分位移時(shí)程漂移所導(dǎo)致的［9，10］。

Seismo Signal 是一款進(jìn)行地震波處理的軟件。它主要提供3 個(gè)方面的功能：①結(jié)構(gòu)的抗震分析；②地震信號的記錄和處理；③地震波的修正和圖形輸出。利用Seismo Signal進(jìn)行地震波的修正，結(jié)果如圖4、圖5所示。其中深色曲線為修正前，淺色曲線為修正后。

圖4 修正前后速度-時(shí)間曲線Fig.4 Speed-Time Curve before and after Correction

圖5 修正前后位移-時(shí)間曲線Fig.5 Displacement-Time Curve before and after Correction

3 計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算過程中，主要是監(jiān)測并保存以下結(jié)果：①震動過程中主體結(jié)構(gòu)的位移變化、中柱的加速度變化；②動荷載結(jié)束后墻、柱的相對位移以及整體的位移云圖。

3.1 震動過程中的位移變化情況

計(jì)算的AE、BF、CG 和DH 段水平位移變化如圖6所示。橫坐標(biāo)為計(jì)算時(shí)間步，縱坐標(biāo)單位為m，位移向右為正，向左為負(fù)。

由圖6 可知：持荷期間，AE、BF、CG 和DH 段在地震作用下均產(chǎn)生了一定程度的振動，振動產(chǎn)生的位移變化最大達(dá)到了3.89 cm，整面墻或整段柱的振動軌跡基本一致，相對位移都比較小，沒有太大的錯(cuò)動。每段在地震期間產(chǎn)生的位移峰值如表1 所示。由表1可知，地下結(jié)構(gòu)整體在地震振動過程中的位移峰值相差很小，這表明了動力計(jì)算過程中結(jié)構(gòu)整體的移動是比較均勻的。

表1 振動過程中的位移峰值Tab.1 Peak Displacement during Vibration

圖6 水平位移變化曲線Fig.6 Horizontal Displacement Curve

3.2 震動過程中的加速度變化情況

柱的水平加速度變化情況如圖7所示。橫坐標(biāo)為計(jì)算時(shí)步，縱坐標(biāo)為加速度（m/s2），加速度向右為正，加速度向左為負(fù)。

根據(jù)圖7可以看出地震過程中加速度于柱的兩側(cè)不斷變化，引起中柱的往復(fù)振動導(dǎo)致裂開，產(chǎn)生相對位移從而造成破壞。此外，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，中柱正向（右）加速度峰值為1.647 m/s2（0.17 gal），負(fù)向（左）加速度峰值為1.271 m/s2（0.13 gal），可以看出：在該動荷載的作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度峰值雖然僅出現(xiàn)幾個(gè)計(jì)算時(shí)步，但是已經(jīng)超過了設(shè)計(jì)基本地震加速度（0.10 gal）。

圖7 柱水平加速度變化曲線Fig.7 Column Horizontal Acceleration Curve

3.3 墻、柱水平位移

地震結(jié)束后墻、柱監(jiān)測點(diǎn)處反應(yīng)的水平位移曲線如圖8 所示。橫坐標(biāo)為監(jiān)測點(diǎn)高度（m），縱坐標(biāo)為位移值（mm），位移向右為正，向左為負(fù)。

從圖8 可知：柱底部和頂部在約束的作用下基本沒有產(chǎn)生相對位移，而柱中部則產(chǎn)生了一定的錯(cuò)動，因震動產(chǎn)生的相對位移接近4 mm。

圖8 墻、柱水平位移曲線Fig.8 Horizontal Displacement Curve of Wall and Column

3.4 整體位移

地震結(jié)束后地下結(jié)構(gòu)體整體的水平位移云圖如圖9所示。位移單位為m，位移向右為正，向左為負(fù)。

由圖9 可以看出：負(fù)向最大位移主要發(fā)生在地下結(jié)構(gòu)左上角和柱子左側(cè)，正向最大位移主要發(fā)生在地下結(jié)構(gòu)右下角和柱子右側(cè)，這與墻、柱水平位移曲線的變化趨勢一致。

圖9 水平位移云圖Fig.9 Horizontal Displacement Cloud

4 結(jié)論

通過模擬黃埔老港區(qū)深厚軟土場地，并對位于土體中的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

⑴在動荷載的作用下，地下結(jié)構(gòu)的整體受力比較均勻，而柱子中間部位產(chǎn)生的相對位移導(dǎo)致柱子開裂、倒塌，是造成震害的主要原因。

⑵根據(jù)計(jì)算過程中的監(jiān)測結(jié)果，在地震作用期間，可以近似認(rèn)為柱子中間產(chǎn)生了一對等大反向的力矩，在其正截面產(chǎn)生拉應(yīng)力或在斜截面產(chǎn)生剪應(yīng)力。

⑶后期的改造工程中，在設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理過程中應(yīng)特別注意地下結(jié)構(gòu)中柱的抗震構(gòu)造措施。合理設(shè)計(jì)柱的截面尺寸、配置對稱的縱向鋼筋，從而保障柱有足夠的延性；由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，宜在柱中部加密箍筋，提高配筋率。