高層房屋建筑深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)局部抗震性試驗(yàn)分析

張麒麟

（甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

高層建筑是現(xiàn)代城市建設(shè)中的重要標(biāo)志，能夠反映出城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，最為重要的是能夠提升城市建設(shè)用地使用率，減少建筑對(duì)城市用地的占用。高層建筑對(duì)于抗震性能的要求較高，尤其是在地震頻發(fā)的區(qū)域進(jìn)行深基坑施工時(shí)，需要充分考慮到支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過(guò)試驗(yàn)方式獲取局部抗震結(jié)構(gòu)性能的方法，能夠得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，以此驗(yàn)證抗震結(jié)構(gòu)性能，能夠提升試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 有限元計(jì)算模型分析

文章對(duì)H市某高層房屋建筑深基坑工程進(jìn)行試驗(yàn)分析，該高層房屋建筑深基坑長(zhǎng)度為49.5 m，寬度為16.5 m，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用雙層鋼管、厚度為80 cm的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。該工程建設(shè)區(qū)域遠(yuǎn)離已經(jīng)建設(shè)完成的建筑物，所以受到其他因素的影響較小，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)分析提供便利條件。本次試驗(yàn)應(yīng)用Midas GTS有限元軟件，軟件通用性較好，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用較為便利。

依據(jù)工程設(shè)計(jì)方案構(gòu)建相應(yīng)的模型，包括地下連續(xù)墻模型等，利用仿真模型開展抗震性能分析，能夠在實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到準(zhǔn)確的結(jié)果，為此文章利用，Mohr—Coulomb的模型分析方式。高層房屋建筑土層參數(shù)具體如表1所示。

表1 高層房屋建筑土層參數(shù)

在試驗(yàn)分析期間，結(jié)合前期地質(zhì)勘察資料，明確土層基本性質(zhì)，本次工程中地層土壤主要為風(fēng)化泥巖、黏土以及礫砂等土壤類型。因?yàn)楸敬喂こ态F(xiàn)場(chǎng)地下水水位較低，不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響所以不需要考慮在內(nèi)；在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)方面，地震力度設(shè)定為8度，在此條件下對(duì)地面運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值為0.18 kg，深基坑內(nèi)部深度為10 m，地下連續(xù)墻入土深度為10.5～20.5 m范圍內(nèi)。

1.2 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

在本次試驗(yàn)中，采用某企業(yè)生產(chǎn)的R—9000ZD型號(hào)的振動(dòng)臺(tái)機(jī)械設(shè)備，該試驗(yàn)設(shè)備的基本參數(shù)為：長(zhǎng)度49.6 cm、寬度29.7 cm，振動(dòng)荷載水平方向最大值為27 kg，豎直方向最大值為2.3 kg；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，考慮到結(jié)構(gòu)會(huì)受到地震荷載的影響，并結(jié)合所采用的振動(dòng)臺(tái)機(jī)械設(shè)備的基本參數(shù)，依據(jù)這些參數(shù)設(shè)置試驗(yàn)分析基本模型；在試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)方面，參數(shù)設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)度為254 mm、寬度為214 mm，高度為214 mm，外部框架應(yīng)用厚度為12 mm的常規(guī)模板；在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料，將土層以及土壤性質(zhì)設(shè)計(jì)保持一致，從而能夠提高試驗(yàn)測(cè)試真實(shí)性；在承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)參數(shù)為：厚度0.55 mm、長(zhǎng)度210 mm、寬度180 mm，深度設(shè)計(jì)分別為130 mm、150 mm、170 mm以及180 mm的有機(jī)玻璃板，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同入土深度情況下的抗震性能分析；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)模型對(duì)地下連續(xù)墻受到的作用進(jìn)行模擬，內(nèi)部支撐模型直徑設(shè)計(jì)為4.5 mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為145 mm的鋼筋進(jìn)行模擬；為了避免剛度過(guò)大導(dǎo)致變形較小無(wú)法收集數(shù)據(jù)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)模型的細(xì)節(jié)優(yōu)化控制，確保模型剛度在可計(jì)算范圍內(nèi)，并采用鋼筋等材料對(duì)其進(jìn)行加固處理。

1.3 地震波輸入

在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗震性能，采用Cl—Centro地震波加速度峰值分別為0.4 g、0.5 g以及0.6 g，并通過(guò)振動(dòng)臺(tái)機(jī)械設(shè)備，對(duì)具體地震參數(shù)進(jìn)行模擬，在模擬環(huán)境中則能夠計(jì)算出結(jié)構(gòu)的抗震性能，全部采用實(shí)際參數(shù)的情況下，能夠提升模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.4 抗震性計(jì)算方式

在本次試驗(yàn)中，抗震性能計(jì)算方法采用反應(yīng)譜法，反應(yīng)譜可以單一質(zhì)點(diǎn)體系中，在地震作用不斷提高的狀態(tài)下，獲取支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震性能連續(xù)變化的特征曲線，該曲線反應(yīng)結(jié)果較為真實(shí)，通過(guò)對(duì)曲線的分析能夠觀察出不同條件下抗震性能的基本變化，并結(jié)合相應(yīng)的公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，則能夠獲取抗震性能計(jì)算結(jié)果，其計(jì)算公式為：α=[η20.2γ-η1（T-5Tg）]αmax

在上述公式中，α表示地震系數(shù)；αmax表示地震影響系數(shù)中最大取值；Tg表示周期特征；T表示深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)的自振周期；η1表示線性斜率常數(shù)；η2表示阻尼常數(shù)；γ表示衰減常數(shù)。利用振型分解反應(yīng)譜方法，對(duì)深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)的抗震性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算期間需要利用振型的分解原理與單自由度體系反應(yīng)譜對(duì)不同等級(jí)地震進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同施工階段深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)

在工程實(shí)施的不同階段內(nèi)，地震對(duì)支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響具有不同差異，所以需要準(zhǔn)確掌握該差異，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)抗震性能的準(zhǔn)確計(jì)算，為了明確具體差異，在兩種不同施工階段中，利用試驗(yàn)的方式對(duì)深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)特性進(jìn)行分析，分別為開挖到5 m和10 m的施工階段。在高層建筑的地下結(jié)構(gòu)中，連續(xù)墻具有良好的止水性能，且墻體結(jié)構(gòu)剛度較大，本次工程中地下承壓結(jié)構(gòu)主要為連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，所以在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，以連續(xù)墻結(jié)構(gòu)為主要分析對(duì)象，構(gòu)建連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模型，并通過(guò)不同地震加速度數(shù)值對(duì)其進(jìn)行模擬，輸入0.4 g、0.5 g以及0.6 g的地震期間地面運(yùn)動(dòng)加速度，通過(guò)對(duì)比分析的方式得到地震動(dòng)力反應(yīng)特性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同地面加速度的參數(shù)情況下，連續(xù)墻產(chǎn)生的位移量具有很大差異；在地震期間地面運(yùn)動(dòng)加速度增加的情況下，在加速度為0.4 g情況下，在開挖深度為5 m的施工階段中，地下連續(xù)墻側(cè)向位移為100 mm；在加速度為0.5 g的情況下，在開挖深度為5 m的施工階段中，地下連續(xù)墻側(cè)向位移為161 mm；在加速度為0.6 g的情況下，在開挖深度為5 m的施工階段中，地下連續(xù)墻側(cè)向位移為208.2 mm。在深基坑開挖到10 m的施工階段中，最大地下連續(xù)墻側(cè)向位移分別為149.7 mm、276.2 mm以及392.4 mm。通過(guò)該結(jié)果可以明確，深基坑在相同地震情況下，在地面運(yùn)動(dòng)速度變化的影響下，在開挖達(dá)到10 m的施工階段中，比開挖達(dá)到5 m的施工階段地下連續(xù)側(cè)向位移更多，也就是在相等地震地面運(yùn)動(dòng)加速度的影響，地下連續(xù)墻側(cè)向位移會(huì)隨著基坑開挖深度的增大與增大，深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)的抗震性能會(huì)不斷降低，深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)更加容易出現(xiàn)損壞問(wèn)題，會(huì)對(duì)高層建筑工程整體質(zhì)量與安全性產(chǎn)生影響。

2.2 不同插入比地震穩(wěn)定性分析

不同插入比情況下，結(jié)構(gòu)的抗震性能不同，所以工程整體穩(wěn)定性也就不同，為此需要對(duì)插入比進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為λ=γ/δ，其中λ表示插入比，γ表示地下連續(xù)墻基坑底以下區(qū)域的深度，δ表示開挖深度。

在本次試驗(yàn)中，設(shè)置了不同插入深度的模型，以此驗(yàn)證不同插入深度情況下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的抗震性能；在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，插入深度參數(shù)分別為130 mm、150 mm、170 mm以及180 mm，將該數(shù)據(jù)與建模進(jìn)行結(jié)合。通過(guò)采用振動(dòng)臺(tái)機(jī)械設(shè)備分別出入試驗(yàn)設(shè)計(jì)的地面加速度，用于驗(yàn)證不同速度情況下、不同插入深度連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；加速度參數(shù)設(shè)計(jì)為：0.4 g、0.5 g以及0.6 g；分別選擇距離地坑底部0 mm、50 mm以及10 mm位置的加速度數(shù)值，對(duì)不同距離下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，能夠得到在不同插入比情況下承壓結(jié)構(gòu)的抗震性能。結(jié)合本次試驗(yàn)的結(jié)果能夠觀察到，隨著連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的插入比不斷提升，連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能不斷提升，也就是說(shuō)連續(xù)結(jié)構(gòu)插入深度越大，那么穩(wěn)定性越好，抗震性能越強(qiáng)；同時(shí)結(jié)合不同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，能夠看出深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性會(huì)隨著插入比的提升和提高，能夠有效提高深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)抗震性能，所以在高層建筑設(shè)計(jì)中，特別是在地震發(fā)生較為頻繁的區(qū)域內(nèi)，可以通過(guò)提升地下連續(xù)墻插入土層深度的方式提高深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)抗震性能。

2.3 不同地震烈度的影響分析

由于高層建筑需要開挖的基坑深度較大，深度越大則抗變形能力越差，為此需要注重非線性關(guān)系對(duì)于承壓結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。為了驗(yàn)證不同地震烈度情況下，承壓結(jié)構(gòu)的抗震性能變化，本次試驗(yàn)中，水平地震最大影響系數(shù)設(shè)定為0.05 g；在抗震設(shè)防力度選擇為7度時(shí)，最大影響系數(shù)數(shù)值為0.1 g。結(jié)合不同烈度對(duì)深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)位移的影響分析可以明確，在地震烈度的影響系數(shù)為0.05 g情況下，最大時(shí)程處于原點(diǎn)區(qū)域；在時(shí)間達(dá)到10 s時(shí)，位移最大值為0.04 mm；在時(shí)間達(dá)到10 s之后時(shí)，位移數(shù)值逐漸降低；在時(shí)間達(dá)到35 s后，位移基本為0。由此能夠說(shuō)明，高層建筑土體結(jié)構(gòu)的變形形式基本為彈性變形；同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在響系數(shù)為0.10 g的情況下，在10 s之前承壓結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大變化的位移；但是在時(shí)間達(dá)到10 s之后，深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)位移會(huì)逐漸增加，說(shuō)明10 s之后深基坑內(nèi)土體出現(xiàn)較大規(guī)模的不可恢復(fù)變形問(wèn)題，所以能夠明確，在地震烈度不斷增加的情況下，承壓結(jié)構(gòu)的抗震性能會(huì)逐漸降低，地震烈度會(huì)對(duì)抗震性能產(chǎn)生直接影響，具有反比例關(guān)系。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章通過(guò)試驗(yàn)的方式，對(duì)高層建筑深基坑支護(hù)承壓結(jié)構(gòu)抗震性進(jìn)行分析，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)論，希望能夠?qū)Ω邔咏ㄖこ探ㄔO(shè)起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高高層建筑抗震性能。