行业要闻

 

摘  要：地铁车站等地下结构的建设，必然会引起场地土层以及临近建筑物的地震动力响应

发生变化．为研究此种影响，以某典型地下车站结构为研究对象，引入了土体的非线性本构模型，同时考虑了结构与土接触面特性和地基无限域的影响．计算结果表明：由于地下结构的存在，地表一定范围内的地震动设计参数被显著放大；临近地表建筑的位移响应、框架柱剪力响应也均被显著放大．建议在地铁等地下工程的规划和设计时考虑工程建设后对地表设计地震动的影响．

关键词：地下结构；地震反应；地表建筑；场地地震动设计参数

 

      随着城市规模的扩大，城市地面发展空间越来越小．为了缓解城市空间发展压力，城市繁华商业区的建筑群和主干道下修建了大量的地下空间结构．从抗震角度来讲，地下结构修建前后，地震作用引起的场地土层的地震反应和临近建筑物的动力反应将不同于以前．在１９８５年的墨西哥地震^［１］和１９９４年的洛杉矶地震中，许多地铁隧道结构很少遭受到地震破坏，但隧道临近的地表建筑有的却出现了很大的破坏情况．目前国内外工程的建设中，均没有考虑地下结构建设对场地设计地震动的影响，因此，有必要对此进行研究．

      目前国内外学者对地下结构的地震反应都做了许多分析和研究，而对地下结构建设后引起的场地土层和临近地表建筑物的地震反应变化的研究还比较少．对该问题的研究，可采用解析法和数值法．解析法在问题本质分析方面有着重要的作用，但是由于波动问题的复杂性，解析法仅适用于一些简单的情况^{［２～４］}．通过数值方法研究该问题具有现实的意义，文献［５］采用有限单元法对软弱地基浅埋隧洞开挖引起的场地地震效应的变化进行了数值模拟；文献［６］采用有限差分法初步分析了地下结构的开发对场地地表反应谱的影响；文献［７］研究了隧道对临近建筑物的地震反应影响．本文针对该问题采用有限单元法，选取地下车站结构为研究对象，主要分析地铁车站结构对场地和临近地表建筑的地震响应影响．

 

      选取两层双柱三跨岛式地铁车站，如图１；计算模型如图２所示．地下车站结构与周围土体之间均设置摩擦接触对，采用了基于允许弹性滑动罚接触算法^［８］，计算中假定筏基与土之间的摩擦因数μ＝０．３．

      本文采用基于Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖ骨架曲线^［９］的黏弹性非线性本构模型描述土体的动力特性．初始加载段剪切模量计算公式如下：

式中：Ｇ_ｍａｘ为初始剪切模量，τ_ｏｃｔ为八面体剪应力，γ_ｏｃｔ为八面体剪应变，Ｈ是描述应力－应变关系的基本形状函数，γ_０为参考剪应变，Ａ、Ｂ为模型参数．

      当土体处在加卸载状态时，剪切模量Ｇ^ｔ＋Δｔ的计算公式为

式中：γ_{ｏｃｔ．ｃ}为八面体剪应力－剪应变滞回曲线加卸载转折点对应的剪应变．

      为了考虑土体材料的黏性效应，按瑞雷阻尼概念，参考文献［１０］假设阻尼矩阵只与刚度矩阵有关，因此，最终的应力－应变关系为

 

式中 为初始弹性刚度．

      无限域的影响采用由Ｂｅｔｔｅｓｓ等提出^［１１］的无限元模拟．

 

      计算模型如图２所示，近场有限元计算域为１６０ｍ×６０ｍ．土层的物理参数见表１，由于缺少试验资料，特取Ｓｅｅｄ等^［１２］获得的典型砂土、黏土的非线性数据拟合Ｄａｖｉｄｅｎｋｏｖ模型的参数．地下车站结构埋深２ｍ．接触面设为库仑摩擦型接触面．车站混凝土结构采用线弹性本构模拟，材料密度为２　５００ｋｇ／ｍ^３，泊松比为０．２，弹性模量为３２ＧＰａ．基岩输入地震波采用由Ⅰ类场地设计反应谱产生的人工波和Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ地震波，把Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ反演到基岩处，加速度时程如图３所示．加速度峰值均调整为０．０５ｇ（工况１）、０．１０ｇ（工况２）、０．２０ｇ（工况３）．

      为了便于反映地铁车站开挖对场地地表设计地震动的影响，假定车站结构正上方为中心０点，距中心点每隔１０ｍ处为一个监测点（见图２）．图４给出了地表在３种峰值加速度地震波输入下地表最大加速度反应曲线．图５、６分别给出了在峰值为０．１ｇ地震波输入下地表０点、３点的地震加速度反应谱．

      从图４～６可以看出：

      （１）在３种峰值加速度地震波输入下，车站正上方地表的加速度反应较自由场地时均有显著的减小．其中在距中心点ｘ＝１０ｍ处（２点），加速度减小幅度最大．在人工波输入下，距地表中心点２５～４５ｍ的水平范围内，加速度反应比自由场地时明显增大．在Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波输入下，距地表中心点２０～４０ｍ的水平范围内，加速度反应比自由场地时明显增大．这表明由于地下结构的存在，地表一定范围内，地震动响应被显著放大．

      （２）由于地下车站结构的存在，在地表中心点（０点）处，加速度反应在短周期内显著地减小；在周期大于１．０ｓ时，加速度反应与自由场地时基本相当，或略大．

      （３）由于地下车站结构的存在，在地表３点处，加速度峰值最大，且均大于自由场地情．在３点处的地震加速度反应，在短周期时比自由场地情况下要大．

 

      计算模型如图７所示．上部结构为三跨六层混凝土框架结构，底层层高为４．５ｍ，其他各层均为３ｍ，跨度为６ｍ，梁截面为３００ｍｍ×６００ｍｍ，柱截面为６００ｍｍ×６００ｍｍ，基础形式为筏板基础，筏板厚取０．５ｍ．筏板基础与土体之间采用摩擦型接触对来联接．上部结构左边柱与地下车站结构水平距离为５ｍ．上部结构采用线弹性本构模型模拟，材料密度为２５００ｋｇ／ｍ^３，泊松比为０．２，弹性模量为３０ＧＰａ；把填充墙的重量转化为梁的重量来考虑，梁的密度为３９２６ｋｇ／ｍ^３．梁、柱和筏板均用平面梁单元来模拟．模型的其他参数与前文相同．输入加速度峰值为０．１０ｇ．

      图８为两种地震波作用下框架柱各层与底层的最大水平相对位移．图９为两种地震波作用下框架柱顶底水平相对位移时程．从图中可以看出：

      （１）在两种地震波作用下，各层与底层的相对位移在地下有车站时均较无车站时要大．这表明地下大空间结构的存在对地表建筑物的地震响应具有显著的影响．

      （２）在两种地震波作用下：当无地下车站时，框架柱左右摇摆；当有地下车站时，框架柱柱顶相对于柱底向无地下车站一侧偏移，原因可能是地下车站本身相对于土体刚度较大，使得左侧相对于右侧无地下车站的地基土体刚度增加，这种刚度不对称导致了上部结构地震反应时的不对称．总之，在有地下车站时，地表建筑框架结构的变形较大，这增大了地表建筑的地震破坏响应．

      为了比较有无地铁车站对地表建筑框架柱剪力的影响，图１０、１１分别给出了基岩输入人工波和Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波时框架柱各层的剪力峰值．本文只讨论左边柱和左中柱的剪力情况．无论哪种地震波输入，中柱的各层剪力都大于边柱的各层剪力；地下有车站时，地表框架各层的剪力均大于无车站时各层的剪力．图１０表明在人工波作用下，左边柱底层的剪力增幅较大，达２１％．左中柱的剪力最大增幅达４０％．从图１１可以看出，在Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波作用下，左边柱和左中柱的各层剪力增幅相对于人工波时偏小，但剪力峰值比人工波作用时要偏大。