多维地震对非对称地下空间结构反应影响分析

程 剑

(合肥碧祥房地产有限公司,安徽 合肥 230041)

近年来,随着城市规模的不断扩大以及地铁网络的迅速扩张,地铁系统为人们的生活带来了巨大的便利。随着城市发展的进一步推进,为了更好地适应各种场地空间和商业需求,复杂型地下空间结构在城市中变得越来越常见。自从地铁设施开始兴建以来,人们一直普遍认为地下结构受到周围土壤的保护,因此相对于地上建筑,地铁车站在抗震性能方面表现更为出色。然而,1995年的阪神地震彻底改变了这种看法,大量地铁车站遭受了严重破坏[1],从而引起了人们对地铁车站抗震性能的高度关注。复杂型地下空间结构通常具有体积庞大、结构复杂等与传统地铁车站不同的特点,这可能导致在地震作用下地下空间结构的薄弱部位和受损情况发生变化。因此,深入分析复杂型地下空间结构在地震作用下的抗震性能和损伤情况具备极为重要的实际意义。

本文的研究背景是一个两层的典型非对称地下空间结构,其上部为五跨,下部为三跨。在考虑土-结构相互作用的情况下,使用通用有限元软件ABAQUS来研究该地下空间结构在水平向和水平向与竖向地震同时作用下的抗震性能和损伤情况。通过相关探索,研究成果揭示了非对称地下空间结构在地震作用下的薄弱部位,为设计类似结构的抗震措施提供了依据。

1 工程概况

本文的研究对象是一个两层的典型非对称地下空间结构,其上部为五跨,下部为三跨。该地下空间结构的主体结构如图1所示,其上层横向尺寸为33.1 m×6.6 m,下层横向尺寸为18.9 m×7.27 m。地下空间结构的上盖土层厚3 m,上部顶板厚为0.8 m,中层板厚为0.4 m,下层底板厚为1 m,两侧侧墙厚为0.8 m,中柱的截面尺寸为0.6 m×1 m,上层柱高为4.15 m,下层柱高为4.45 m。地下空间结构的上层顶板、中层板、下层底板、侧墙和中柱采用的是标号为C35的混凝土材料。

由于地下空间结构的纵向长度远远大于横向尺寸,因此可以采用几何折减的方法对中柱进行简化处理[2]。这一简化方法将实际的三维问题转化为了更容易处理的二维平面应变问题,从而有效地简化了计算过程并提高了整体分析的效率。这些详细的结构参数和简化方法的使用使得本研究的目标更加具体和具有实用性,为后续的复杂型地下空间结构的抗震性能和损伤研究提供了坚实的基础。

本文计算场地土体参数选用具有代表性的典型土层地基[3],根据上海市工程建设规范DG/T J08-2064—2009地下铁道建筑结构抗震设计规范,截取土体深度为70 m,土层分布及其参数如表1所示。

表1 土层分布及其参数

2 有限元模型的建立

2.1 数值模型材料的动力本构模型及参数

为了研究土-非对称地下空间结构相互作用体系的地震响应情况,使用大型有限元通用软件ABAQUS建立了相应的有限元模型,模型示意如图2所示。

关于地下空间结构的数值模型,采用平面应变单元CPE4R对非对称地下空间结构和土体进行了离散化处理。本文采用了塑性损伤本构模型来进行混凝土的性能的描述,这个模型能够考虑混凝土的非线性行为以及损伤累积效应。具体到所建立的地下空间结构,所使用的混凝土的弹性模量取为31.5 GPa,泊松比取为0.2。本文采用了等效线性化模型来对土体的性能进行描述,这个模型能够在一定程度上反映土体的非线性特性,这在模拟地震加载时尤为重要。

在数值模型中,地下空间结构和土体之间的关系通过硬接触和摩擦接触来建模。法向接触采用硬接触,这意味着结构和土体之间不存在相对的压缩且在运动过程中可以发生脱离。切向接触采用摩擦接触,摩擦系数取为0.4[4]。

以上这些模型参数和接触条件能够使有限元模型尽可能地接近实际情况,从而提供较为准确的数值分析结果,可作为研究地下空间结构的地震响应和损伤情况的基础。

2.2 土-非对称地下空间结构计算模型的建立

本文参考文献[5]的方法,确定数值模型横向尺寸的取值,以期减小边界设置对地下空间结构地震反应的影响。具体来说,将模型的计算宽度设置为地铁结构宽度的5倍,这样可以在有效减小边界影响的同时,限制计算区域,使得分析更加高效。因此,本文将二维模型的计算区域确定为200 m×70 m。

对于土体的网格情况,本文采用了局部加密,逐渐加宽的方法,同时确保网格尺寸满足Kuhlemeyer[6]指出的波的传播精度表达式。这种方法有助于保证模型中土体的网格足够细致,以便准确地模拟地震波在土体中的传播和反射。这对于在地震加载下准确捕捉地下空间结构的响应至关重要。

3 相互作用体系输入地震动

在本研究中,选取了导致出现典型地下结构破坏的Kobe地震波作为复杂型地下空间结构数值模型的输入地震动,这是一个常用的基岩地震波。该地震波的水平向与竖向加速度时域响应如图3所示,其地震动持时为32 s。在数值模型底部输入地震动时,首先调整地震波的水平向加速度峰值为0.15g,同时,考虑到规范对于竖向加速度峰值的要求,将地震波的竖向加速度峰值调整为0.1g。

本文对非对称地下空间结构数值模型共设计了两种工况:地震动水平向作用工况和地震动水平向与竖向联合作用工况。因为地震波不仅会产生水平方向的力,还会导致竖向的振动,这会对地下空间结构的响应产生复杂影响。因此,对这两种工况开展数值模拟工作可以更全面地评估地下空间结构的地震响应和损伤情况。

4 地震响应分析与损伤评估

4.1 地下空间结构沿深度位移反应分析

图4展示了在两种工况下非对称地下空间结构沿深度的相对水平位移情况。从图4中可以看出,在两种不同工况下,地下空间结构的侧向变形都呈现为倒三角形状,这意味着结构底部的位移相对较小,而顶部的位移相对较大,是典型的地震作用下结构响应特征,称为“剪切滑移”,即结构在地震中会发生侧向位移,底部相对于顶部会有更小的位移。

值得注意的是,地震动水平向作用下地下空间结构顶板与底板之间的最大相对位移为15.1 mm,而水平向与竖向联合作用下这一最大相对位移数值为18.3 mm。后者相对于前者增加了21.2%。这表明竖向地震动对地下空间结构的侧向位移产生了显著影响,增加了位移的幅度。这个发现表明在非对称地铁车站的抗震设计中需要特别考虑竖向地震动的影响,以确保车站结构在地震中的安全性。

4.2 地下空间结构应力反应分析

图5呈现了在设计的两种工况下非对称地下空间结构的Mises应力云图,提供了有关结构内部应力分布的重要信息。根据图5的应力云图和表2的数据,可以发现上柱顶部、上柱底部、下柱底部、中板底部和侧墙-底板连接处都显示出高应力集中的情况。这些部位被确定为非对称地下空间结构在地震中的抗震薄弱部位。从表2中可以得出,不论是在哪种工况下,上柱顶部的Mises应力值都是最大的,这表明上柱顶部是非对称地下空间结构中的一个高风险部位,在地震情况下容易受损。此外,当地下空间结构受到水平向和竖向地震动的联合作用时,下柱底部的应力增幅最为显著,达到了53.54%。这表明竖向地震动对地下空间结构的应力分布产生了影响,尤其是在下柱底部。

表2 地下空间结构应力

4.3 地下空间结构损伤分析

图6提供了非对称地下空间结构在两种工况下的受拉损伤云图,这有助于进一步了解结构的损伤情况。

通过对图6的损伤云图和表3的数据进行分析,发现在两种工况下,上柱顶部都显示出最为明显的受拉损伤现象,进一步证实了上柱顶部是非对称地下空间结构的抗震薄弱部位。此外,上柱底部、下柱底部和中板底部也都显示出不同程度的受拉损伤。通过比较表3中的受拉损伤因子,可以观察到,在非对称地下空间结构受到水平向和竖向地震动的联合作用时,上柱顶部和下柱底部的损伤因子都有所增加,这意味着竖向地震动会增加这些部位的受损程度。以上数值模拟结果表明了竖向地震动在非对称地下空间结构损伤中的重要性,因此,在非对称地下空间结构的抗震设计中,必须充分考虑竖向地震动效应,采取适当的方法提高地下空间结构的安全性。

表3 地下空间结构受拉损伤因子

5 结论

通过本文的研究,可得到以下结论:1)在地震作用下,非对称地下空间结构顶板与底板之间的相对位移呈倒三角分布。2)确定了非对称地下空间结构中的抗震薄弱部位,包括上柱顶部和下柱底部。这些区域在地震中受到的应力和损伤因子最大,需要特别的关注和改进,以增强地下空间结构的抗震性能。3)竖向地震动作用会明显导致地下空间结构薄弱部位应力的增长和损伤的加剧,因此在非对称地下空间结构设计中,竖向地震动效应亟需重视。