陳 煒

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092]

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使用需求、設(shè)計(jì)水平及施工工藝的提高，地下空間結(jié)構(gòu)正朝地下深層化、多層次方向發(fā)展。與傳統(tǒng)小型地下空間不同，多層地下空間結(jié)構(gòu)更加注重綠色、低碳、節(jié)能、智慧等，使得結(jié)構(gòu)功能化多樣，結(jié)構(gòu)形式趨于復(fù)雜，頂板大開洞的地下結(jié)構(gòu)形式也逐漸增多[1]。與此同時(shí)，全球正步入地震頻發(fā)階段，大震級(jí)地震頻繁出現(xiàn)，均對(duì)民眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了重大損失。在1995 年的阪神大地震中，中柱垮塌引起的大開地鐵車站嚴(yán)重破壞[2]。此后，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能才逐漸得到重視[3-6]。針對(duì)深層地下結(jié)構(gòu)抗震性能，Chen 等[7]通過四層地鐵車站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)深層地下結(jié)構(gòu)在低頻高能的近斷層脈沖地震下，車站中柱是薄弱環(huán)節(jié)；張椿民[8]對(duì)不同層數(shù)的地鐵車站在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加，底層中柱軸力增大，在地震作用下，反應(yīng)明顯增強(qiáng)，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)地震組合控制的情況；同時(shí)，針對(duì)頂板開洞的地下結(jié)構(gòu)抗震性能研究也逐步開展，Zhang 等[9]通過振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩層地下車站進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地震作用下站廳層橫梁兩端為抗震最薄弱環(huán)節(jié)；歐飛奇等[10]認(rèn)為軟土地區(qū)中兩層三跨大開口中庭式車站，在地震作用下存在空間效應(yīng)，地震對(duì)結(jié)構(gòu)有較大影響。然而，針對(duì)具有頂板大開洞特性的深層地下結(jié)構(gòu)抗震性能研究尚處于初步階段，因此，為保證地下空間結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震安全性，需對(duì)頂板大開洞深層地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估。本文以地下八層結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用一維等效線性地震反應(yīng)分析軟件EERA 及有限元軟件MIDAS gen，分析了該結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)承載力、薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益建議。

1 工程概況

該項(xiàng)目為地下8 層市政綜合體，地下1 ～2 層為框架結(jié)構(gòu)，頂板上方覆土約2m。地下1 層為地下商業(yè)，兩側(cè)接周邊地塊的下沉廣場(chǎng)，層高約7m；地下2 層為地下停車庫(kù)，層高約5.4m，與周邊地塊互聯(lián)互通，在地塊單側(cè)設(shè)置地下道路。地下3 ～8層為箱涵結(jié)構(gòu)，凈寬約10.4m；地下3 層為夾層，為綜合管廊設(shè)置管廊進(jìn)出線，層高約3.1m；地下4 層為綜合管廊層，層高約3.3m；最底層為地鐵區(qū)間層，地鐵區(qū)間段在綜合管廊下方沿縱向穿越，凈高約5.6m，區(qū)間底板埋深北側(cè)約30.3m、南側(cè)約43.3m；地鐵區(qū)間與綜合管廊層之間設(shè)置寶庫(kù)及結(jié)構(gòu)空腔。標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面如圖1 所示，基礎(chǔ)采用平板式筏基，根據(jù)抗浮需求增設(shè)鉆孔灌注樁。結(jié)合低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保設(shè)計(jì)理念，在結(jié)構(gòu)頂板上設(shè)置大開洞，將自然光線和自然景觀引入地下空間，有效減少地下空間給人的幽閉感，提升地下人行的舒適度。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面圖及頂板大開洞示意圖

2 工程地質(zhì)條件

本工程主要地質(zhì)條件：①填土層、②-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，地下空間層底板位于該層，承載力特征值65kPa，②-3、②-3a 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土及其與粉土、粉砂互層、②-4 粉細(xì)砂夾粉質(zhì)粘土，地鐵區(qū)間層底板穿越該層，承載力特征值110kPa、②-5 粉細(xì)砂，部分區(qū)間層底板位于該層，承載力特征值200kPa、②-5a 粉質(zhì)粘土、②-6 中細(xì)砂、③-4e、③-4 中粗砂與中細(xì)砂、⑤-1、⑤-2 強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。

3 有限元模型計(jì)算

3.1 地震反應(yīng)計(jì)算

根據(jù)本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)特征及工程地質(zhì)情況，采用反應(yīng)位移法進(jìn)行該結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算。整體分析流程為：①采用EERA進(jìn)行土體反應(yīng)計(jì)算；②得到土層地震響應(yīng)，包括收斂剛度、加速度、位移、剪應(yīng)力等，結(jié)合土層參數(shù)計(jì)算出土層彈簧剛度，進(jìn)一步計(jì)算出地震作用，包括土體變位荷載、慣性力、周面剪力三種；③再采用有限元軟件MIDAS gen 將荷載施加于結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載組合后計(jì)算地震反應(yīng)。其中，EERA 是由南加州大學(xué)開發(fā)的一維等效線性地震反應(yīng)計(jì)算軟件。

首先進(jìn)行的土層地震反應(yīng)計(jì)算，將土層參數(shù)（包括重度、剪切波速、土類型、泊松比等）、地震波等信息輸入EERA 中，根據(jù)不同的土層特性選擇不同剪切模量、阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線模擬土的動(dòng)力非線性特征。本項(xiàng)目黏土層、砂土層采用的動(dòng)剪切模量比—剪應(yīng)變、阻尼比—剪應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 土體動(dòng)剪切模量比—剪應(yīng)變、阻尼比—剪應(yīng)變關(guān)系曲線

一維地震反應(yīng)分析需結(jié)合地基土分層及結(jié)構(gòu)頂、底板位置考慮，土層單元與結(jié)構(gòu)單元一般取0.5 ～1m，使得土體單元與結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，便于計(jì)算及后處理。

根據(jù)地勘報(bào)告，擬建場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度7°，擬建場(chǎng)地類別為Ⅳ類，擬建場(chǎng)地特征周期值為0.65s。根據(jù)場(chǎng)地特征，基巖處地震波選取3 條地震波（一條人工波及兩條天然波）進(jìn)行調(diào)幅，偏于安全地調(diào)幅至設(shè)防地震（峰值加速度0.10g）和罕遇地震（峰值加速度0.22g）兩個(gè)水準(zhǔn)的水平向地震波，分為兩組，每組3 條，共計(jì)6 條。設(shè)防地震下三條地震波時(shí)程曲線如圖3 所示。

圖3 加速度時(shí)程曲線

根據(jù)以上參數(shù)，通過EERA 程序計(jì)算并選取頂、底板相對(duì)位移最大的時(shí)刻，得到土層一維地震反應(yīng)，并根據(jù)上述流程，采用反應(yīng)位移法，對(duì)此地下8 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算。

3.2 主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

在MIDAS gen 中，將周圍土體簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)外側(cè)的地基彈簧，主體結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，施加上述地震作用。計(jì)算地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值取自重和水、土壓力等永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值與各可變荷載的組合值之和，荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)如表1所示。

表1 荷載分項(xiàng)系數(shù)表

本結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，要求結(jié)構(gòu)的承載力及變形能力滿足規(guī)范要求。下面從整體變形、結(jié)構(gòu)承載力、薄弱環(huán)節(jié)三個(gè)方面分析結(jié)構(gòu)抗震性能。

整體變形方面，結(jié)構(gòu)在罕遇工況下的整體變形云圖如圖4 所示，整體變形模式為倒三角變形，結(jié)構(gòu)最大位移均發(fā)生在懸臂擋土外墻頂端，此處也是靜力工況下結(jié)構(gòu)變形最大的位置，地震工況下結(jié)構(gòu)層間位移等相關(guān)內(nèi)容統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 不同地震荷載工況下結(jié)構(gòu)各層層間位移及位移角表

圖4 在大震工況下的整體結(jié)構(gòu)側(cè)向變形云圖

從表2 中可知在地震工況下，結(jié)構(gòu)的頂層X 向?qū)娱g位移角在中震、大震下分別為1/1572 和1/564。在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/550，滿足規(guī)范要求。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》14.2.4 規(guī)定，可采用簡(jiǎn)化方法計(jì)算罕遇地震作用下的抗震變形驗(yàn)算，，結(jié)構(gòu)罕遇地震下層間位移角1/564×1.6=1/353 亦滿足規(guī)范規(guī)定1/250。此外，可以看到地下1 ～2 層層間位移角顯著大于地下3 ～8 層，主要是由于地下1 ～2 層為框架結(jié)構(gòu)，地下3 ～8 層為箱涵結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度顯著弱于箱涵結(jié)構(gòu)，因地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下有追隨土體變形的特性，故建議在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)地下1 ～2 層框架柱進(jìn)行復(fù)核并構(gòu)造加強(qiáng)，保證其較高的延性。

結(jié)構(gòu)承載力方面，框架柱、側(cè)墻等豎向構(gòu)件，作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，如發(fā)生破壞將引起重大損失。結(jié)構(gòu)側(cè)墻在中震工況下側(cè)墻彎矩云圖如圖5 所示，結(jié)構(gòu)外墻轉(zhuǎn)角處、底部支撐處及通道連接的開洞處為應(yīng)力較大位置。結(jié)合其余構(gòu)件分析，總體而言，此結(jié)構(gòu)在地震作用下內(nèi)力可控。計(jì)算結(jié)果表明中震及大震下關(guān)鍵構(gòu)件均能達(dá)到性能目標(biāo)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)。在設(shè)防烈度下，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖5 在中震工況下側(cè)墻（地下-1.5 ～-16m）及（地下-16 ～-43m）彎矩云圖

薄弱環(huán)節(jié)方面，由于結(jié)構(gòu)頂板存在大開洞情況，在地震工況下存在平面內(nèi)變形及內(nèi)力較大的可能，因而對(duì)大開洞的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算。B0 層洞口梁選取如圖6 所示，B0 層洞口梁?jiǎn)卧獌?nèi)力對(duì)比如表3 顯示，在地震工況下，洞口梁剪力、平面內(nèi)彎矩相比于靜力工況顯著增大，需在施工圖階段對(duì)洞口梁腰筋及箍筋進(jìn)行復(fù)核并加強(qiáng)。此外，根據(jù)其余工程案例分析，如大開洞靠近結(jié)構(gòu)外墻，則在地震作用下增幅更加明顯，需要重點(diǎn)關(guān)注。除洞口邊梁外，同時(shí)對(duì)比分析了大開洞邊柱在中震作用下與靜力工況下的彎矩、軸力，結(jié)果表明，豎向構(gòu)件有足夠安全冗余度，并且重要構(gòu)件在設(shè)防地震作用下保持彈性，柱水平剪力在大震下也未超過柱彈性抗剪承載能力。豎向構(gòu)件能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的性能目標(biāo)。然而，值得注意的是，本結(jié)構(gòu)中柱僅位于地下1 ～2 層，軸壓比相對(duì)較低，通過其余案例分析，如深層采用多跨結(jié)構(gòu)，中柱軸壓比較高的情況下，延性較低，強(qiáng)震作用下有發(fā)生破壞的可能。

表3 B0 層洞口梁?jiǎn)卧獌?nèi)力對(duì)比表

圖6 選取對(duì)比頂板（B0 層）洞口所在位置

4 結(jié)論

本文以地下八層結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用一維等效線性地震反應(yīng)分析軟件EERA 及有限元軟件MIDAS gen 對(duì)頂板大開洞深層地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震能力進(jìn)行研究，分析了結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)承載力、薄弱環(huán)節(jié)等，主要得到以下結(jié)論及設(shè)計(jì)建議，對(duì)將來(lái)類似工程的設(shè)計(jì)提供一些有益的參考：

（1）頂板大開洞但結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、對(duì)稱、質(zhì)量及剛度均勻分布，且下部采用箱涵結(jié)構(gòu)的深層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力及傳力體系明確，整體抗震性能較好，有利于抗震，中震及大震下關(guān)鍵構(gòu)件均能達(dá)到性能目標(biāo)的要求。在規(guī)范規(guī)定的地震作用下，可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）結(jié)構(gòu)整體變形滿足規(guī)范要求，呈現(xiàn)倒三角變形模式，但地下1 ～2 層為框架架構(gòu)，抗側(cè)剛度顯著弱于箱涵結(jié)構(gòu)，因地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下有追隨土體變形的特性，故建議在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)地下1 ～2 層框架柱進(jìn)行復(fù)核并構(gòu)造加強(qiáng)，保證其較高的延性。

（3）頂板大開洞薄弱部位洞口梁剪力、平面內(nèi)彎矩相比于靜力工況顯著增大，需在施工圖階段對(duì)洞口梁腰筋及箍筋進(jìn)行復(fù)核并加強(qiáng)。此外，對(duì)于大開洞靠近結(jié)構(gòu)外墻的邊梁，在地震作用下增幅更加明顯，對(duì)于深層采用多跨的結(jié)構(gòu)，中柱軸壓比較大延性較低，均需要重點(diǎn)關(guān)注。