程 劍

(合肥碧祥房地產(chǎn)有限公司,安徽 合肥 230041)

近年來(lái),隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及地鐵網(wǎng)絡(luò)的迅速擴(kuò)張,地鐵系統(tǒng)為人們的生活帶來(lái)了巨大的便利。隨著城市發(fā)展的進(jìn)一步推進(jìn),為了更好地適應(yīng)各種場(chǎng)地空間和商業(yè)需求,復(fù)雜型地下空間結(jié)構(gòu)在城市中變得越來(lái)越常見(jiàn)。自從地鐵設(shè)施開(kāi)始興建以來(lái),人們一直普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)受到周圍土壤的保護(hù),因此相對(duì)于地上建筑,地鐵車站在抗震性能方面表現(xiàn)更為出色。然而,1995年的阪神地震徹底改變了這種看法,大量地鐵車站遭受了嚴(yán)重破壞[1],從而引起了人們對(duì)地鐵車站抗震性能的高度關(guān)注。復(fù)雜型地下空間結(jié)構(gòu)通常具有體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等與傳統(tǒng)地鐵車站不同的特點(diǎn),這可能導(dǎo)致在地震作用下地下空間結(jié)構(gòu)的薄弱部位和受損情況發(fā)生變化。因此,深入分析復(fù)雜型地下空間結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能和損傷情況具備極為重要的實(shí)際意義。

本文的研究背景是一個(gè)兩層的典型非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu),其上部為五跨,下部為三跨。在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的情況下,使用通用有限元軟件ABAQUS來(lái)研究該地下空間結(jié)構(gòu)在水平向和水平向與豎向地震同時(shí)作用下的抗震性能和損傷情況。通過(guò)相關(guān)探索,研究成果揭示了非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱部位,為設(shè)計(jì)類似結(jié)構(gòu)的抗震措施提供了依據(jù)。

1 工程概況

本文的研究對(duì)象是一個(gè)兩層的典型非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu),其上部為五跨,下部為三跨。該地下空間結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其上層橫向尺寸為33.1 m×6.6 m,下層橫向尺寸為18.9 m×7.27 m。地下空間結(jié)構(gòu)的上蓋土層厚3 m,上部頂板厚為0.8 m,中層板厚為0.4 m,下層底板厚為1 m,兩側(cè)側(cè)墻厚為0.8 m,中柱的截面尺寸為0.6 m×1 m,上層柱高為4.15 m,下層柱高為4.45 m。地下空間結(jié)構(gòu)的上層頂板、中層板、下層底板、側(cè)墻和中柱采用的是標(biāo)號(hào)為C35的混凝土材料。

由于地下空間結(jié)構(gòu)的縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向尺寸,因此可以采用幾何折減的方法對(duì)中柱進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[2]。這一簡(jiǎn)化方法將實(shí)際的三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了更容易處理的二維平面應(yīng)變問(wèn)題,從而有效地簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程并提高了整體分析的效率。這些詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和簡(jiǎn)化方法的使用使得本研究的目標(biāo)更加具體和具有實(shí)用性,為后續(xù)的復(fù)雜型地下空間結(jié)構(gòu)的抗震性能和損傷研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文計(jì)算場(chǎng)地土體參數(shù)選用具有代表性的典型土層地基[3],根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/T J08-2064—2009地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,截取土體深度為70 m,土層分布及其參數(shù)如表1所示。

表1 土層分布及其參數(shù)

2 有限元模型的建立

2.1 數(shù)值模型材料的動(dòng)力本構(gòu)模型及參數(shù)

為了研究土-非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)相互作用體系的地震響應(yīng)情況,使用大型有限元通用軟件ABAQUS建立了相應(yīng)的有限元模型,模型示意如圖2所示。

關(guān)于地下空間結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,采用平面應(yīng)變單元CPE4R對(duì)非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)和土體進(jìn)行了離散化處理。本文采用了塑性損傷本構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行混凝土的性能的描述,這個(gè)模型能夠考慮混凝土的非線性行為以及損傷累積效應(yīng)。具體到所建立的地下空間結(jié)構(gòu),所使用的混凝土的彈性模量取為31.5 GPa,泊松比取為0.2。本文采用了等效線性化模型來(lái)對(duì)土體的性能進(jìn)行描述,這個(gè)模型能夠在一定程度上反映土體的非線性特性,這在模擬地震加載時(shí)尤為重要。

在數(shù)值模型中,地下空間結(jié)構(gòu)和土體之間的關(guān)系通過(guò)硬接觸和摩擦接觸來(lái)建模。法向接觸采用硬接觸,這意味著結(jié)構(gòu)和土體之間不存在相對(duì)的壓縮且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以發(fā)生脫離。切向接觸采用摩擦接觸,摩擦系數(shù)取為0.4[4]。

以上這些模型參數(shù)和接觸條件能夠使有限元模型盡可能地接近實(shí)際情況,從而提供較為準(zhǔn)確的數(shù)值分析結(jié)果,可作為研究地下空間結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和損傷情況的基礎(chǔ)。

2.2 土-非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的建立

本文參考文獻(xiàn)[5]的方法,確定數(shù)值模型橫向尺寸的取值,以期減小邊界設(shè)置對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。具體來(lái)說(shuō),將模型的計(jì)算寬度設(shè)置為地鐵結(jié)構(gòu)寬度的5倍,這樣可以在有效減小邊界影響的同時(shí),限制計(jì)算區(qū)域,使得分析更加高效。因此,本文將二維模型的計(jì)算區(qū)域確定為200 m×70 m。

對(duì)于土體的網(wǎng)格情況,本文采用了局部加密,逐漸加寬的方法,同時(shí)確保網(wǎng)格尺寸滿足Kuhlemeyer[6]指出的波的傳播精度表達(dá)式。這種方法有助于保證模型中土體的網(wǎng)格足夠細(xì)致,以便準(zhǔn)確地模擬地震波在土體中的傳播和反射。這對(duì)于在地震加載下準(zhǔn)確捕捉地下空間結(jié)構(gòu)的響應(yīng)至關(guān)重要。

3 相互作用體系輸入地震動(dòng)

在本研究中,選取了導(dǎo)致出現(xiàn)典型地下結(jié)構(gòu)破壞的Kobe地震波作為復(fù)雜型地下空間結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的輸入地震動(dòng),這是一個(gè)常用的基巖地震波。該地震波的水平向與豎向加速度時(shí)域響應(yīng)如圖3所示,其地震動(dòng)持時(shí)為32 s。在數(shù)值模型底部輸入地震動(dòng)時(shí),首先調(diào)整地震波的水平向加速度峰值為0.15g,同時(shí),考慮到規(guī)范對(duì)于豎向加速度峰值的要求,將地震波的豎向加速度峰值調(diào)整為0.1g。

本文對(duì)非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)數(shù)值模型共設(shè)計(jì)了兩種工況:地震動(dòng)水平向作用工況和地震動(dòng)水平向與豎向聯(lián)合作用工況。因?yàn)榈卣鸩ú粌H會(huì)產(chǎn)生水平方向的力,還會(huì)導(dǎo)致豎向的振動(dòng),這會(huì)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生復(fù)雜影響。因此,對(duì)這兩種工況開(kāi)展數(shù)值模擬工作可以更全面地評(píng)估地下空間結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和損傷情況。

4 地震響應(yīng)分析與損傷評(píng)估

4.1 地下空間結(jié)構(gòu)沿深度位移反應(yīng)分析

圖4展示了在兩種工況下非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)沿深度的相對(duì)水平位移情況。從圖4中可以看出,在兩種不同工況下,地下空間結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形都呈現(xiàn)為倒三角形狀,這意味著結(jié)構(gòu)底部的位移相對(duì)較小,而頂部的位移相對(duì)較大,是典型的地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征,稱為“剪切滑移”,即結(jié)構(gòu)在地震中會(huì)發(fā)生側(cè)向位移,底部相對(duì)于頂部會(huì)有更小的位移。

值得注意的是,地震動(dòng)水平向作用下地下空間結(jié)構(gòu)頂板與底板之間的最大相對(duì)位移為15.1 mm,而水平向與豎向聯(lián)合作用下這一最大相對(duì)位移數(shù)值為18.3 mm。后者相對(duì)于前者增加了21.2%。這表明豎向地震動(dòng)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移產(chǎn)生了顯著影響,增加了位移的幅度。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明在非對(duì)稱地鐵車站的抗震設(shè)計(jì)中需要特別考慮豎向地震動(dòng)的影響,以確保車站結(jié)構(gòu)在地震中的安全性。

4.2 地下空間結(jié)構(gòu)應(yīng)力反應(yīng)分析

圖5呈現(xiàn)了在設(shè)計(jì)的兩種工況下非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖,提供了有關(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布的重要信息。根據(jù)圖5的應(yīng)力云圖和表2的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)上柱頂部、上柱底部、下柱底部、中板底部和側(cè)墻-底板連接處都顯示出高應(yīng)力集中的情況。這些部位被確定為非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)在地震中的抗震薄弱部位。從表2中可以得出,不論是在哪種工況下,上柱頂部的Mises應(yīng)力值都是最大的,這表明上柱頂部是非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)中的一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)部位,在地震情況下容易受損。此外,當(dāng)?shù)叵驴臻g結(jié)構(gòu)受到水平向和豎向地震動(dòng)的聯(lián)合作用時(shí),下柱底部的應(yīng)力增幅最為顯著,達(dá)到了53.54%。這表明豎向地震動(dòng)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響,尤其是在下柱底部。

表2 地下空間結(jié)構(gòu)應(yīng)力

4.3 地下空間結(jié)構(gòu)損傷分析

圖6提供了非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)在兩種工況下的受拉損傷云圖,這有助于進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)的損傷情況。

通過(guò)對(duì)圖6的損傷云圖和表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在兩種工況下,上柱頂部都顯示出最為明顯的受拉損傷現(xiàn)象,進(jìn)一步證實(shí)了上柱頂部是非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。此外,上柱底部、下柱底部和中板底部也都顯示出不同程度的受拉損傷。通過(guò)比較表3中的受拉損傷因子,可以觀察到,在非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)受到水平向和豎向地震動(dòng)的聯(lián)合作用時(shí),上柱頂部和下柱底部的損傷因子都有所增加,這意味著豎向地震動(dòng)會(huì)增加這些部位的受損程度。以上數(shù)值模擬結(jié)果表明了豎向地震動(dòng)在非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)損傷中的重要性,因此,在非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中,必須充分考慮豎向地震動(dòng)效應(yīng),采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣叩叵驴臻g結(jié)構(gòu)的安全性。

表3 地下空間結(jié)構(gòu)受拉損傷因子

5 結(jié)論

通過(guò)本文的研究,可得到以下結(jié)論:1)在地震作用下,非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)頂板與底板之間的相對(duì)位移呈倒三角分布。2)確定了非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱部位,包括上柱頂部和下柱底部。這些區(qū)域在地震中受到的應(yīng)力和損傷因子最大,需要特別的關(guān)注和改進(jìn),以增強(qiáng)地下空間結(jié)構(gòu)的抗震性能。3)豎向地震動(dòng)作用會(huì)明顯導(dǎo)致地下空間結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)力的增長(zhǎng)和損傷的加劇,因此在非對(duì)稱地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,豎向地震動(dòng)效應(yīng)亟需重視。