山區建筑場地類別劃分及地震反應有限元分析

高 同 玉

(遼寧省市政工程設計研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110006)

場地類別是勘察報告中必不可少的內容，對抗震設計有重要影響。但是在山區工程建設中，由于場地條件的復雜性，可能會遇到同一項目存在不同場地類別的情況，有些甚至出現同一建筑范圍內存在不同場地類別的情況。抗震設計時如何處理這種情況，將會直接影響工程安全和造價。

1 場地及場地類別辨析

在進行場地類別劃分以前需要首先明確什么是場地。場地通俗意義上來講就是工程建設所在的區域，也就是規劃紅線內的區域，這里可稱其為“紅線場地”，是審批部門批準劃定的區域，區域范圍可大可小，沒有定數；而場地的另外定義是從抗震角度考慮的，同一類場地相似的反應譜特征，這在相關規范中均有定義。簡列如下：

在GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設計規范和GB/T 50941—2014建筑地基基礎術語標準中定義相同，即均為：工程群體所在地，具有相似的反應譜特征。其范圍相當于廠區、居民小區或不小于1.0 km2的平面面積。此定義中“工程群體所在地”即可理解為與前述“紅線場地”相對應。

在CECS 160：2004建筑工程抗震性態設計通則(試用)中定義場地為：工程群體所在地。大體相當于一個廠區、居民點或自然村的范圍，同一類場地應具有相似的設計譜特征。

從以上定義可以看出，場地只有一個，就是工程群體所在地，即所謂“紅線場地”，而同一場地內可能存在多種場地類別，同一類別場地具有相似的設計譜特征。

如滕州市地震小區劃圖，可以看到同一小區存在不同的反應譜參數，即為不同的場地類型，如圖1所示。

實際上一般工程建設項目不可能都通過進行反應譜分析，來劃分場地類別，因此規范中給出了簡易可行的方法。在GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)和GB 18306—2015中國地震動參數區劃圖均給出了通過剪切波速和覆蓋層厚度進行場地類別劃分的方法。二者內容一致，現給出GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)如表1所示。

表1 各類建筑場地的覆蓋層厚度 m

2 山區建筑場地類別劃分實例

根據以上表1進行場地類別劃分，對于場地條件比較均勻的場地，一般一個場地只有一種場地類別，但當遇到場地條件復雜的情況，如山區建筑地基坐落在半挖半填地基、挖方地基或填方地基上，此時通過上述方法進行場地類別劃分時，同一場地可能存在不同場地類別，甚至同一棟建筑所在范圍內存在不同場地類別。

如某小區住宅用地為低山丘陵地貌(見圖2)，局部為采石場形成的深積水塘，平均深度9 m，四周坑邊為陡坡，坡度大于80°。勘探揭露地層為雜填土和基巖(中風化石灰巖)，土層厚度不足1 m，場區整平處理后，有些建筑位于坑內回填地基上，有些建筑一部分位于坑內回填地基上，一部分位于坑外巖石地基上。根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)表4.1.6判定，建筑地基全部為回填地基的場地類別為Ⅱ類，建筑地基既有回填地基又有巖石地基的場地類別為Ⅱ類和Ⅰ1類,抗震計算可按不利類別考慮。

3 地震反應PLAXIS有限元分析

3.1 PLAXIS簡介

PLAXIS 2D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用巖土有限元計算軟件，已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中。

PLAXIS地震動分析中可以采用瑞利阻尼考慮粘滯特性，瑞利阻尼由質量阻尼和剛度阻尼構成，如式(1)所示。

C=αM+βK

(1)

其中，C為阻尼;M為質量;K為剛度;α，β均為瑞利阻尼系數，α是決定質量對阻尼的影響的參數。α越高，較低頻率的震動的阻尼越大。β是決定剛度對阻尼的影響的參數，β越高，較高頻率震動的阻尼越大。

α，β與阻尼比、自振頻率的關系如式(2)所示：

(2)

其中，ωi為自振頻率；ξi為阻尼比。

以上關系式說明，如果已知兩個頻率和阻尼比，則可以形成聯立方程，求解α和β。阻尼比、自振頻率可以通過共振柱試驗獲得。

3.2 地震反應有限元分析模型

以下分別對位于較軟場地上的結構、較硬場地上的結構、一半較軟一半較硬場地上的結構、一半軟(設置端承樁)一半硬場地上的結構，進行地基基礎與結構共同作用的動力分析。由于地震作用時間較短，土體動力剛度比靜態分析時大，為減少計算工作量，本文中土體、巖體、結構體本構模型均采用線性粘彈性模型。相關參數如表2所示。

表2 有限元動力分析參數

分析模型上部結構為4層框架帶一層地下室。下部地基尺寸為20 m×100 m，在底部邊界施加加速度時程，兩側邊界為地震波吸收邊界，具體如圖3所示。

底部施加的臺灣集集大地震加速度，其加速度時程曲線如圖4所示，傅里葉變換頻譜幅值如圖5所示，峰值加速度為0.361g，卓越周期0.89 s。

3.3 地震反應有限元分析結果

1)兩類均勻場地地面地震反應。

場地類別Ⅰ1類和Ⅱ類的地面加速度時程曲線如圖6所示。

從圖6看出，Ⅰ1類場地地面峰值加速度為0.18g，Ⅱ類場地地面峰值加速度為0.25g。Ⅱ類場地地面峰值加速度比Ⅰ1類場地大。

場地類別Ⅰ1類和Ⅱ類的地面加速度傅里葉頻譜如圖7，圖8所示。

由圖7，圖8可看出，Ⅰ1類場地卓越周期0.71 s，Ⅱ類場地卓越周期0.93 s，Ⅱ類場地卓越周期比Ⅰ1類長。

場地類別Ⅰ1類和Ⅱ類的地面加速度反應譜如圖9所示。

由圖9可看出，Tg在(0～2.2 s)區間Ⅱ類場地加速度反應譜比Ⅰ1類場地反應譜大。

2)均勻、不均勻場地結構地震反應。

通過分析得到均勻場地、不均勻場地、不均勻場地設置樁基，上部結構頂部(選取梁中部)加速度時程曲線如圖10，圖11所示。

從圖10看出，Ⅰ1類場地結構峰值加速度為0.35g，Ⅱ類場地地面峰值加速度為0.49g。Ⅱ類場地結構加速度反應比Ⅰ1類大。

從圖11看出，不均勻場地天然地基上的結構峰值加速度為0.42g，樁基上的結構峰值加速度為0.19g。天然地基上的結構加速度反應比樁基礎上的結構大。

均勻場地、不均勻場地、不均勻場地置樁基，上部結構頂部(選取梁中部)峰值加速度一覽表如表3所示。

表3 不同類型場地結構頂部峰值加速度

通過表3可以看出，均勻場地時Ⅱ類場地結構地震加速度反應比Ⅰ1類場地大，半軟半硬的不均勻場地天然地基上的結構地震加速度反應介于前二者之間。設置樁基時結構地震加速度反應比天然地基時大大降低。

4 結論與建議

1)建筑場地可以只有一個，而場地類別可能存在多種。需要實事求是，具體問題具體分析。

2)如果擬建建筑位于場地類別分界線附近時，直接選用不利的場地類別進行抗震設計當然是偏于安全，但是造價需要增加，建議按照GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)4．1．6條處理，即當有可靠的剪切波速和覆蓋層厚度且其值處于表4．1．6所列場地類別的分界線附近時，應允許按插值方法確定地震作用計算所用的特征周期。

3)對進行抗震性態設計的建筑，可以按照《建筑工程抗震性態設計通則(試用)》CECS 160：2004附錄B根據場地覆蓋層厚度和等效波速進行抗震參數插值。

4)采用樁基的結構地震反應會有所降低，這對于改善不利地段的建筑抗震是有益的。

5)場地類別會影響設計特征周期和峰值加速度，應進行雙參數調整，具體可按照GB 18306—2015中國地震動參數區劃圖進行。

6)如果同一建筑范圍內存在多種場地類別，可按不利場地類別考慮，并可考慮采用有利于抗震的地基基礎型式。

7)場地類別的劃分可以按照勘察期間地面進行初步劃分，但如果場區整平后地面變化較大，需要進行再次復核，不能盲目采用初步劃分結果，尤其對于半挖半填的地基。