沿海軟土機場本構模型及重力動力響應

馬睿馨 楊啟 仇敏達 方禺天 周俊豪

摘要：地震災害突發性、續發性強，對沿海軟土地區，機場結構復雜、大跨度結構抗震等級高、防災問題突出。為提高結構抗震設計質量，本文對沿海軟土機場本構模型及重力動力響應展開探討。

關鍵詞：機場結構；本構模型；動力反應

一、土體彈性本構模型的建立

采用摩爾庫倫本構模型是建立在摩爾庫倫強度理論上的本構模型。

MC條件為：τn=c+σn·tan

對每一種土層進行直剪實驗，測定各土層的抗剪強度指標，根據試驗可得土體參數：

取平均值作為最終軟土設置參數值。

取c=17867.5pa，φ=17.575°。

故可得土體的庫倫公式如下：

二、航站樓模型建立

（一）模型依據

依據天津濱海國際機場資料，建立航站樓簡化模型，其中包括面積（約為18312m2）、高度（最高點距地面約40m）。

（二）模型分析

1）承重柱在x軸方向每排11根，間隔16米；y軸方向每列7根，間隔12米，均勻分布。樁從地面開始向下延伸至第三土層底部，在x軸方向每排6根，間隔32米，在y軸方向列4根，間隔24米。

2）土體部分，將土體的長寬（504米*288米）均設為結構長寬（168米*96米）的3倍左右，因此在分析計算模塊加載載荷時，邊緣土體所受應力的影響可以忽略。

土體分層方面，將地面及以下土體分為四層，每層深度分別為8米，8米，32米，32米，每層土體彈塑性參數不同。

（三）模型單元設定

1.土體部分及承臺頂板：SOLID 186

solid186是一個高階3維20節點固體結構單元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模擬不規則的網。

2.承重柱及樁：BEAM 188

當 KEYOPT（1）=0時 （默認）， 每節點有6個自由度。 分別是沿x，y，z的位移及繞其的轉動。

（四）模型網格劃分

將每層土體均分為3*3九塊。結構正下方的土體在xy軸方向劃分為48*32格式的單元網格。與結構正下方的土體在x軸方向相鄰的兩塊土體在xy軸方向劃分為24*32格式的單元網格；與結構正下方的土體在y軸方向相鄰的兩塊土體在xy軸方向劃分為48*16格式；其余四塊土體在xy軸方向均劃分為24*16格式的單元網格，在Z軸方向，每層土體劃分為兩層網格。

三、結構土體在重力荷載作用下計算結果

（一）靜力分析

本模型自重應力的分布以及在不同位置的大小，以此來作為分析土體結構在地震荷載作用下的對照基礎。施加z軸方向重力加速度9.8m/s2。

（二）靜力分析結果

位移分析結果（形變放大100倍），由分析得：

合位移：最大位移節點號為288479位移值為0.12m

最小位移節點號為243368位移值為0m

可以看出在僅在重力作用下航站樓頂部邊緣變形較大，約為0.12m，相應的土體變形很小，不足0.01m。

同理得出：

（三）等效應力分析結果

應力最大的部分出現在層和頂層之間的柱子上。

應力最大 節點號293842值1.11E+07Pa

應力最小 節點號83416值1531Pa

四、結果分析與結論

由位移云圖和數據結果可知，僅在重力作用下，位移最大的地方發生在航站樓頂殼邊緣，約為0.12米，等效應力最大的地方發生在兩層之間的柱子上，等效應力達1.11E+07pa。而此時土體相對比較安全。由此可見，在土—航站樓自身重力作用下，土體和航站樓發生的變形較小，結構不易失去穩定。

基金來源：中國民航大學2016年大學生創新創業訓練（項目編號：201610059078）；中國民航大學科研啟動基金（2013QD10X）；中央高校基本科研業務費項目（3122015C019）