左海平 劉昕業(yè)

摘要 基于ANSYS有限元軟件，針對(duì)軟土場(chǎng)地，建立長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下，考慮土與地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)相互作用的二維模型，對(duì)典型兩層三跨地鐵車(chē)站進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。結(jié)果表明：長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下，典型軟土場(chǎng)地上車(chē)站結(jié)構(gòu)底板及頂板位置加速度峰值相比于輸入地震波加速度峰值有比較顯著放大;樓板和側(cè)墻相交節(jié)點(diǎn)及底層中柱與樓板節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)力較大，屬于抗震不利位置，設(shè)計(jì)應(yīng)注意考慮。

關(guān)鍵詞 長(zhǎng)周期地震動(dòng);軟土場(chǎng)地;地鐵車(chē)站

中圖分類(lèi)號(hào) U231.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）01-0171-03

0 引言

1995年阪神地震中大開(kāi)地鐵車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞后，地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能引起了人們的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)軟土場(chǎng)地上地鐵車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了一系列研究。王雪劍等[1]、李積棟等[2]對(duì)典型的地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)一系列的研究，但并未考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用于軟土場(chǎng)地的情況。

目前對(duì)處于軟土場(chǎng)地上的長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的典型框架式地鐵車(chē)站地震反應(yīng)分析比較少，而相關(guān)研究表明軟土場(chǎng)地會(huì)放大長(zhǎng)周期地震動(dòng)效應(yīng)。我國(guó)幅員遼闊，地震頻發(fā)，許多建立在軟土場(chǎng)地上的地鐵車(chē)站可能存在遭遇長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響，因此，長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下軟土場(chǎng)地地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有現(xiàn)實(shí)意義。

文章基于ANSYS有限元軟件，針對(duì)軟土場(chǎng)地，建立了在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下，考慮土與地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)相互作用的二維模型，研究地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，為地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)建議。

1 二維計(jì)算有限元模型

1.1 地鐵車(chē)站模型

選取典型兩層三跨地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)，寬度為17 m、高度為11 m，上覆土層厚度為4 m。車(chē)站結(jié)構(gòu)的底板厚1.1 m、頂板厚0.8 m、中板厚0.8 m、側(cè)墻厚0.8 m，中柱截面尺寸0.8 m×0.8 m、中柱間距為5 m，中柱與側(cè)墻間距為6 m。將其簡(jiǎn)化為單柱平面框架結(jié)構(gòu)，模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)主體部分混凝土強(qiáng)度為C35，中柱混凝土強(qiáng)度為 C50，根據(jù)樓夢(mèng)麟等[3]的研究，該模型地基的計(jì)算寬度取為150 m，可以不予考慮人工邊界對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，即土體模型尺寸取150 m×5 m。有限元模型分析時(shí)，采用plane42單元進(jìn)行模擬土體，beam3單元模擬車(chē)站結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

1.2 材料本構(gòu)模型及地震波選取

選取典型軟土場(chǎng)地，密度為1.895 g/m3、彈性模量10.985 MPa、內(nèi)摩擦角20°、黏聚力43.56 kPa。土體采用D-P本構(gòu)模型，同時(shí)選取瑞利阻尼模擬阻尼作用?；炷了苄阅Ｐ妥鳛榛炷恋谋緲?gòu)模型。該文選出一條波近場(chǎng)參照波Elcentro波并按選波原則[4]從美國(guó)太平洋地震工程中心選取一條長(zhǎng)周期地震波Aqaba-Hadera E-W波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)時(shí)程分析，Aqaba-Hadera E-W波加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜見(jiàn)下圖3和圖4，Elcentro波加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜見(jiàn)下圖5和圖6。

2 車(chē)站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

2.1 車(chē)站結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)分析

表1及表2列出了Aqaba-Hadera E-W波Elcentro波作用下地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)頂、底板中點(diǎn)的加速度峰值及相比于基巖處加速度峰值的加速度放大系數(shù)。

對(duì)表1及表2分析發(fā)現(xiàn)，在近場(chǎng)地震波Elcentro波作用下，車(chē)站結(jié)構(gòu)底板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的0.93倍，車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的0.81倍;長(zhǎng)周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下，車(chē)站結(jié)構(gòu)底板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的1.15倍，車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的1.09倍。這說(shuō)明與近場(chǎng)地震波Elcentro波相比，典型長(zhǎng)周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下軟土場(chǎng)地對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)放大效應(yīng)比較顯著。

2.2 車(chē)站結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在Aqaba-Hadera E-W波及Elcentro波作用下，對(duì)地鐵車(chē)站進(jìn)行應(yīng)力時(shí)程分析，其中關(guān)鍵部位—車(chē)站結(jié)構(gòu)墻板與柱的連接節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力如下表3、表4所示，對(duì)拉應(yīng)力分析，樓板和側(cè)墻相交節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力幅值較大，屬于抗震不利位置，在車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮其抗拉性能。對(duì)壓應(yīng)力分析，底層中柱與樓板節(jié)點(diǎn)部位壓應(yīng)力幅值較大，表明底層中柱節(jié)點(diǎn)位置是抗震較不利位置。

3 結(jié)論

該文利用ANSYS軟件分析長(zhǎng)周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下軟土場(chǎng)地地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，得到以下結(jié)論：（1）遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波低頻含量較為豐富，軟土場(chǎng)地放大效應(yīng)顯著，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波作用下，側(cè)墻與樓板相交位置及下層中柱柱底的應(yīng)力幅值較大，中柱為抗震最薄弱構(gòu)件。（2）遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)周期地震波低頻成分較多，經(jīng)軟土場(chǎng)地放大后，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)加速度峰值明顯增大;Aqaba-Hadera E-W波作用下，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的加速度峰值總體從底部到頂部逐漸增大;對(duì)比于Elcentro波，遠(yuǎn)場(chǎng)地震波作用下車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板、底板等重要部位的加速度放大效應(yīng)顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]王雪劍.復(fù)雜地基中地鐵地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)及其動(dòng)力變形特性研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]李積棟，陶連金，安軍海，等.超淺埋大跨度Y形柱雙層地鐵車(chē)站三維地震響應(yīng)分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（2）：653-660.

[3]樓夢(mèng)麟，王文劍，朱彤，等.土-結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中土層邊界影響問(wèn)題[J].地震工程與工程振動(dòng)，2000（4）：30-36.

[4]左海平.長(zhǎng)周期地震動(dòng)與SSI效應(yīng)耦合對(duì)厚覆蓋軟土場(chǎng)地上超高層建筑動(dòng)力響應(yīng)影響規(guī)律研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2017.