軟土中地鐵結構非線性地震反應淺述

劉金波

遼寧省交通規劃設計院有限責任公司

軟土中地鐵結構非線性地震反應淺述

劉金波

遼寧省交通規劃設計院有限責任公司

在不同地震作用力下研究力學方面非線性地震反應是十分必要的。本文分析了回填土密實度及地連墻對車站結構地震反應的影響。結果表明，在地震作用下，結構的變形沿高度方向增加；地鐵車站中柱頂、底受到交替拉壓應力，且出現較大的拉伸損傷，是抗震薄弱部位。

軟土；地鐵結構；非線性地震反應

一、有限元模型介紹

這篇文章分析的地鐵結構中車站選用2層雙柱3跨結構，左﹑中﹑右跨別離寬7.05米﹑5.50米﹑7.05米，邊墻厚度為0.80米；寬21.2米，車站結構高12.49米，上層高3.55米，底層層高7.09米，底﹑中﹑頂板厚度別離為0.80米﹑0.35米﹑0.70米；中柱直徑0.80米，底層中柱有0.90米×0.90米×1.10米的柱承臺，柱距離9.0米；隧道到底板和邊墻的距離別離為0.40米和0.22米，襯砌結構外徑6.2米，管片厚0.35米。樓板與側墻的相交處做加掖處理，沿車站軸線方向在中柱與頂板﹑中板的銜接處設置縱梁。

通過引入損傷因子，來反映混凝土準脆性材料在周期性動荷載作用下后續屈服的損傷機理，分別選用兩個損傷變量來描寫混凝土受壓損壞和受拉時兩個不同的剛度減弱。車站結構選用C30混凝土，地鐵選用C50混凝土，其物理參數見表1。土體選用均質土層，以某市區典型粉質黏土為例進行模仿，為探求規則起見，視土體為彈塑性體，遵守ohr-Coulob屈從原則，土體重度γ=19kN/米3，內摩擦角φ=25°，黏聚力c=20kPa，緊縮模量Es=5Mpa泊松比v=0.3。

地鐵結構長度24米。模型中選用自在場邊界條件進行動力分析，為消除邊界對結構動力反響的影響，根據已有研討，地基寬度取結構寬度的11倍，即240米，高為120米，前后間隔54米，從模型底部水平向輸入地震波進行結構動力響應分析。在靜力分析時側向邊界選用水平向束縛和豎向自由的滾軸邊界，在動力分析中選用側向邊界水平向自由和豎向束縛的滾軸邊界，頂面皆為自由變形邊界。(見表1)

二、結構地震反應結果及分析

1﹑軟土側向大變形是形成地下結構嚴重震害的主要因素，地下結構可能會因土體變形過大而發作損傷甚至破壞。在El-Centro波和天津波作用下，車站側墻頂﹑底之間的最大相對水平位移發生在左擺時，位移峰值分別為0.86厘米0.33厘米，人工波作用時最大相對水平位移發生在右擺時，位移最大值為0.73厘米。在El-Centro波作用下，地鐵洞頂﹑底之間的最大相對水平位移發生在左擺時，相對水平位移峰值為0.13厘米，在天津波和人工波激震下，最大相對水平位移發生在右擺時，最大值分別為0.31厘米和0.30厘米。由上述計算結果可知，關于車站側墻和地鐵結構水平位移沿高度的變化趨勢是同時的，都是從下往上逐漸加大，結構頂部的水平位移反響最大，表現了結構水平剛度較小的特點。

2﹑因為地震作用時截面應力情況隨時間不斷改變，應力情況不足以反映結構的地震反響，所以選用損傷程度和應力情況同時描繪結構在地震中的損壞程度。損傷指數代表著結構的地震損傷程度，損傷指數0和1別為結構完全無損傷和完全損傷情況。研究標明，在地震作用下，混凝土結構主要發生受拉損傷，受壓損傷程度較小，

因此本文僅就結構的拉伸損傷指數dt進行分析。當dt＞0時，混凝土開始出現拉伸裂縫；當dt＞0.75時，混凝土由微觀裂縫進入微觀裂縫期間，裂縫逐漸貫穿，損傷值接近于1時，混凝土徹底喪失抗拉強度和沿裂縫方向的抗剪強度。根據不同的地震波作用下結構的受拉損傷云圖，能夠看出，與結構的相對水平位移反應相似，El-Centro波對結構的拉伸損傷影響顯著小于天津波和人工波。地鐵結構因為選用C50混凝土而且未考慮接頭螺栓的作用，并未出現顯著損傷，結構的拉伸損傷集中于車站結構。當輸入El-Centro波時，車站最大拉伸損傷指數dt=0.7730，出現于上層中柱底部，模型中塑性損傷單元數較少，并未貫穿中柱橫截面；在天津波和人工波作用下，車站中柱出現較大面積的塑性損傷，拉伸損傷指數dt分別達到了0.9439和0.9582，發作在上層中柱頂部，而且在柱頂﹑底處有裂縫貫穿橫截面的趨勢，這些部位的混凝土有喪失抗拉強度和水平向抗剪強度的危險。

結語

地鐵結構中柱頂﹑底端是抗震最不利部位，在地震作用下，中柱受到較大的應力，或許逾越其極限承載力而發生損壞；車站與地鐵連接處的墻體在地震作用下也會出現一定程度的拉伸損傷，在抗震設計時應予以重視；地震波的頻譜特性明顯影響地鐵地下結構的震害程度，土體對高頻地震波存在濾波作用，對低頻地震波起到擴大效應。地下結構的地震反應程度由地震動特性及周圍土體特性同時決定。

[1]左熹，陳國興，王志華，等.軟弱場地上地鐵車站結構近遠場地震[J].土木工程學報，2010，(12)：299-301.

[2]王國波，馬險峰，楊林德.軟土地鐵車站結構及隧道的三維地震響應分析[J].巖土力學，2010，(8)：252-254.

表1 混凝土動力本構模型參數