基于大連市西安路地鐵車站結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)數(shù)值分析

肖 錦 林琰文 崔 瑤

大連理工大學(xué)近海岸國家重點(diǎn)實驗室

基于大連市西安路地鐵車站結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)數(shù)值分析

肖 錦 林琰文 崔 瑤

大連理工大學(xué)近海岸國家重點(diǎn)實驗室

隨著地下結(jié)構(gòu)數(shù)量的增多和地下結(jié)構(gòu)震害的頻繁出現(xiàn),地下結(jié)構(gòu)抗震問題日益受到世界各國地震工作者的重視。但是我國在地下結(jié)構(gòu)抗震方面的研究相對滯后,至今還沒有完善的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法。本文以大連市西安路地鐵車站為重點(diǎn)研究對象，采用有限元軟件ABAQUS建立地鐵車站模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析所得到的動力響應(yīng)結(jié)果，總結(jié)一般性的地震規(guī)律從而對地鐵車站的抗震措施提出一些適當(dāng)建議。

地鐵車站結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)；有限元分析

1 引言

本項目以西安路地鐵車站為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。根據(jù)西安路車站結(jié)構(gòu)圖和地質(zhì)圖，針對車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，結(jié)構(gòu)和土體的相互作用情況，借助軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，探究西安路車站的地震反應(yīng)規(guī)律。

2 實施過程

本項目以西安路地鐵車站為模型。為計算方便，在不改變主要受力構(gòu)件等條件下，對該斷面圖進(jìn)行了一定的簡化。大連地鐵西安車站為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),模型中車站采用混凝土損傷塑性模型，周圍采用土質(zhì)模型。

在模型底部區(qū)域水平向輸入地震波EI-Centro波。固定邊界時對應(yīng)輸入加速度時程；粘性邊界與粘彈性邊界對應(yīng)輸入速度時程或應(yīng)力時程，這是根據(jù)目前基本形成共識的已有理論基礎(chǔ)確定的參數(shù)輸入方案。因此輸入EI-Centro波的加速度時程，所輸入的加速度峰值為0.3g。

本次計算對邊界條件的設(shè)置采取位移邊界，在模型左右兩側(cè)設(shè)置水平位移約束，在模型底部設(shè)置豎向位移約束。加速度時程作為地震動時程在模型底邊界水平向輸入。共設(shè)置3個監(jiān)測點(diǎn)：車站底部點(diǎn)(N1)、車站中柱點(diǎn)(N2)、車站頂部點(diǎn)(N3)。分別檢測每個點(diǎn)的加速度時程曲線和位移時程曲線。3個監(jiān)測點(diǎn)的位置參數(shù)詳見表1。

表1 監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 應(yīng)力響應(yīng)云圖分析

通過對結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖的分析,不僅可以對其損傷發(fā)展情況進(jìn)行評估，還可以發(fā)現(xiàn)車站結(jié)構(gòu)的損傷部位。從地鐵車站的Mises應(yīng)力云圖可見:

（1）車站的底板、側(cè)墻、中柱以及側(cè)墻與頂板的交接處的Mises應(yīng)力明顯大于其他部位，其中，側(cè)墻和底板的Mises應(yīng)力明顯較大。

（2）車站上層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力反應(yīng)小于下層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力反應(yīng),這主要是因為車站下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大而承擔(dān)了較多的水平地震荷載作用。

3.2 水平加速度響應(yīng)分析

通過對0.3g峰值加速度地震動下，車站橫截面上三個監(jiān)測點(diǎn)N1、N2、N3的加速度時程曲線分析可知：

（1）車站底部點(diǎn)N1、中柱點(diǎn)N2以及車站頂部點(diǎn)N3的土體加速度時程曲線的形狀基本一致;

（2）底部點(diǎn)N1的地震加速度峰值比中柱點(diǎn)N2及頂部點(diǎn)N3的加速度峰值要大,其中中柱處加速度最小。

3.3 水平位移響應(yīng)分析

對地鐵地下車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)抗震分析時,車站結(jié)構(gòu)的橫截面均發(fā)生一定的變形,發(fā)生的變形也不盡相同,從車站主體結(jié)構(gòu)的變形圖中,可以發(fā)現(xiàn):地鐵地下車站結(jié)構(gòu)中板、柱、底板均發(fā)生了較嚴(yán)重的變形,中柱扭曲成S型(實際情況下,可能被剪斷)。因此地鐵車站的中柱和底板應(yīng)為重點(diǎn)加固對象。

（1）在地震動作用下，車站底部、頂部以及中柱的位移響應(yīng)基本一致，均在12s處出現(xiàn)峰值；

（2）在位移響應(yīng)曲線峰值附近，三個點(diǎn)的位移差異最為明顯。

3.4 相對水平位移響應(yīng)分析

地震作用下，地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平向的相對位移差是產(chǎn)生剪力和彎矩的主要原因，所以地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)充分考慮地下結(jié)構(gòu)相對位移影響。從0.3g峰值加速度地震動作用下，模型中車站底部和頂部的相對位移時程曲線分析可見：

（1）在地震動作用下，車站上下部位產(chǎn)生的相對位移方向會發(fā)生由左往右的轉(zhuǎn)變；

（2）車站上下相對位移峰值約為1.5cm，且發(fā)生在12.5s左右。

4 展望

隨著我國地下交通的蓬勃發(fā)展，地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震問題正越來越來引起人們的注意，然而目前在這方面的研究成果很少,我們認(rèn)為未來在以下幾個方面值得深入研究。

（1）土是一種結(jié)構(gòu)材料，也是一種高度非線性材料，雖然目前土的本構(gòu)關(guān)系較多,但很少考慮土的結(jié)構(gòu)，建立一種適用性較強(qiáng)的土的動力本構(gòu)關(guān)系值得進(jìn)一步研究。

（2）人工動力邊界較多，且是相互聯(lián)系的，本文僅考位移邊界，其它一些人工邊界也值得研究，尤其是邊界間的相互關(guān)聯(lián)以及邊界的精確性問題。

（3）地鐵車站結(jié)構(gòu)是一個非常復(fù)雜的體系,影響其地震響應(yīng)的因素也很多，例如摩擦系數(shù)、場地特性、地下水、動土壓力等。本文只是選取了其中一部分進(jìn)行分析討論,還有很多其他影響因素值得我們?nèi)ミM(jìn)一步研究。

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