段國華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

Analysis of Under Ground Three-dimensional Earthquake Response in Nanjing Qingao Axial Line

DUAN Guohua

南京青奧城軸線地下空間三維地震響應(yīng)分析

段國華

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

Analysis of Under Ground Three-dimensional Earthquake Response in Nanjing Qingao Axial Line

DUAN Guohua

摘要以南京青奧城軸線地下空間(地下停車場)為研究對象，采用FLAC3D有限差分軟件對地下空間靜力及地震作用兩種工況進行數(shù)值模擬，對比分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律，研究分析地下空間結(jié)構(gòu)的動力特性。

關(guān)鍵詞地下空間有限差分地震動力響應(yīng)

十二五規(guī)劃以來，伴隨著城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，地下空間，尤其是地下商場和地下停車場的開發(fā)利用已進入空前的規(guī)模。此類地下空間多與軌道交通及地下綜合體等結(jié)構(gòu)直接相連，地下空間體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人流較大，對抗震要求高，但目前地下空間的抗震減災(zāi)研究相對滯后。一般認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)受土體約束，地震對其影響不大，但近年來地下結(jié)構(gòu)震害頻發(fā)，地下結(jié)構(gòu)抗震問題受到世界各國的重視[1-3]。

地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計算方法，從力學(xué)特性上可分為擬靜力和動力反應(yīng)分析方法兩類[4]。目前國內(nèi)外多采用擬靜力方法進行地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，如地震系數(shù)、反應(yīng)位移法等。擬靜力法雖計算簡便，但不能很好地處理介質(zhì)中的非均勻性、各向異性、非線性及復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，具有一定的局限性。而動力時程分析法能計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件在每個時刻的地震反應(yīng)，適用于任意的地下結(jié)構(gòu)類型，是地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法中最為精確全面的方法，多用于特別重大的項目或很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及土質(zhì)條件[5]。

1工程背景

南京梅子洲過江通道地下停車場是青奧城配套項目，與通道接線工程同期建設(shè)，位于通道主線上部，青奧城地下交通系統(tǒng)L、J匝道之間，開發(fā)規(guī)模為24 109 m2。地下空間與梅子洲隧道主線在結(jié)構(gòu)上互相獨立，中間通過回填覆土或素混凝土完成荷載轉(zhuǎn)換。地下空間頂板覆土厚度1.5～2.0 m，地下空間凈高按4.0 m考慮，且考慮頂板以下1 m的管線布設(shè)空間。

該區(qū)域地層上部均為第四系松散沉積物，下伏白堊系基巖。揭露深度內(nèi)場地土類型上部以軟弱土為主，中部為中硬土及堅硬土，下部為軟質(zhì)巖。場地覆蓋層厚度為57～61 m，場地等效剪切波速為124.3～135.0 m/s。建筑場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s。場地范圍內(nèi)無全新活動斷裂通過，發(fā)育有可液化土層及軟土層，液化等級輕微-中等。場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。

2計算方法

2.1　計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定及地下空間的規(guī)模、幾何特征，地下空間結(jié)構(gòu)寬度取其最大寬度的3倍，前后左右土體各取結(jié)構(gòu)寬度的1倍；模型深度根據(jù)鉆孔勘探資料取其地表下70 m弱風(fēng)化基巖處。三維計算模型見圖1。

圖1　三維計算模型

2.2　本構(gòu)模型及計算參數(shù)確定

根據(jù)地質(zhì)勘查報告所提供的地質(zhì)情況(如表1所示)，對地下停車場所在地層進行分層模擬，土體采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫侖準(zhǔn)則。

表1　土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

振動臺試驗研究表明，在超越概率為10%的人工波作用下，典型軟土中的地鐵車站結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作性能狀態(tài)[5]。因此，在靜力及地震動力計算中，混凝土結(jié)構(gòu)均選用彈性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土材料參數(shù)如表2所示。

表2　混凝土材料參數(shù)

由于一般混凝土的動彈性模量比其靜彈性模量高約30%～50%[1-4]，故結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土材料的動彈性模量取其靜荷載時的1.4倍，泊松比均取其靜荷載時的泊松比。土體參數(shù)和靜力作用下的相同，采用彈塑性模型和摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。

2.3　邊界條件及地震波輸入

(1)邊界條件

靜力分析時，側(cè)向邊界均為水平位移約束邊界，底部邊界為豎向位移約束邊界，地表為自由變形邊界；地震動力分析時，側(cè)向邊界均為自由場邊界，底部為豎向固定。由于底部為基巖剪切，波速較大，不必施加靜態(tài)邊界，水平向可輸入加速度時程，地表為自由變形邊界。

(2)地震波的輸入

為研究地下空間結(jié)構(gòu)在不同地震強度作用下的受力變形特征，除靜力分析外，采用兩種不同強度的地震：一是100年超越概率為2%的南京人工地震波作為罕遇地震輸入；二是100年超越概率為63%的南京人工波作為常遇地震輸入。時程曲線見圖2。

圖2　地震動輸入的南京波加速度時程曲線

3計算結(jié)果及分析

利用FLAC3D有限差分軟件對地下停車場靜力及地震作用下進行數(shù)值模擬，對比分析兩種工況結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律；地震動力響應(yīng)分析中，考慮了兩種不同地震波的輸入，研究分析其結(jié)構(gòu)的動力特性。

3.1　地震特性分析

地下空間在地震作用也會發(fā)生一定的沉降和水平位移，其沉降和水平位移云圖分別如圖3和圖4所示。罕遇地震作用下地下空間的最大沉降為13.2 mm，發(fā)生在地下空間西北角，最大水平位移發(fā)生在頂板處，最大值為34.5 mm。

圖3　地震作用下地下空間沉降

圖4　地震作用下地下空間結(jié)構(gòu)水平位移

3.2　內(nèi)力分析

根據(jù)混凝土材料強度理論，并通過對地下空間結(jié)構(gòu)在靜力作用下和地震作用下的內(nèi)力進行對比，可以判斷出結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。為了驗算地下結(jié)構(gòu)在常遇地震和罕遇地震下地下空間結(jié)構(gòu)抗震能力，對100年超越概率為63%和2%進行地震動輸入。

(1)頂板內(nèi)力分析

頂板水平方向的彎矩云圖如圖5所示，頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值對比見表3。

圖5　頂板Mx云圖

表3　頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值對比

由圖5和表3可以看出：頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值出現(xiàn)在柱子和頂板交結(jié)處，在地震作用下，彎矩增加不明顯，增加率均為1%左右，而水平向軸力增加較多，增加率達115.95%，最大值集中在L匝道上方凹陷處。在常遇地震作用下內(nèi)力的增加率均小于罕遇地震作用下內(nèi)力值，尤其是罕遇地震水平軸力的最大值要遠大于常遇地震的軸力值。

(2)底板內(nèi)力分析

底板水平方向的彎矩云圖如圖6所示，底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值對比見表4。

圖6　底板Mx云圖

結(jié)構(gòu)內(nèi)力內(nèi)力絕對值最大值/(kN·m)工況靜力作用罕遇地震作用(100年2%)增加率/%常遇地震作用(100年63%)增加率/%彎矩Mx-805.83-890.8010.54-816.71.3彎矩My-744.02-720.25-3.19-717.2-3.6軸力Nx-783.47-1045.90233.50-843.97.7

由圖6和表4可以看出：底板內(nèi)力最大處集中在左上角，底板下沉的邊緣處和地下空間與L匝道的接觸處。在地震作用下，彎矩增加不明顯，而水平向軸力增加較多，增加率達233.5%。底板在罕遇地震作用下水平軸向力的增加率要遠遠大于地下空間結(jié)構(gòu)的頂板，在設(shè)計中應(yīng)該加以注意。

(3)邊墻內(nèi)力分析

邊墻內(nèi)力最大值對比見表5。

表5　邊墻內(nèi)力對比

由表5可以看出：邊墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體形變化處，特別是與J匝道連接處，在地震作用下，邊墻彎矩增加率達59.63%。地下空間結(jié)構(gòu)邊墻在常遇地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加值不明顯，在罕遇地震作用下水平軸向力的增加率是常遇地震的46倍。

4結(jié)論

利用FLAC3D有限差分軟件對梅子洲過江隧道地下空間進行三維地震響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論：

①在地震作用下，地下空間結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大的沉降，在該地下空間結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下產(chǎn)生的沉降達13.2mm，發(fā)生在地下空間西北角處，設(shè)計中可以在該處加設(shè)樁或其他地基加固措施。

②頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值出現(xiàn)在柱子和頂板交結(jié)處，在地震作用下，彎矩增加不明顯，增加率均為1%左右，而水平向軸力增加較多，增加率達115.95%。在常遇地震作用下內(nèi)力的增加率均小于罕遇地震作用下內(nèi)力值，尤其是罕遇地震水平軸力的最大值要遠大于常遇地震的軸力值。

③地下空間底板在地震作用下內(nèi)力的增加值要遠大于結(jié)構(gòu)頂板，且底板內(nèi)力變化較大處也是地下空間結(jié)構(gòu)突變處，在設(shè)計中應(yīng)該加以注意。底板軸力較彎矩在地震作用下的變化較大：在常遇地震作用下，底板軸力的增加率為233.5%，在罕遇地震作用下為7.7%。

④地下空間邊墻的彎矩較軸力在地震作用下的變化較大，在常遇地震作用下邊墻彎矩增加率為5.1%，罕遇地震作用下為59.6%，地下空間邊墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體形變化處，在設(shè)計中應(yīng)該加以注意。

參考文獻

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[3]劉如山，胡少卿，石宏彬.地下結(jié)構(gòu)抗震計算中擬靜力法的地震荷載施加方法研究[J].巖土工程學(xué)報，2007，29(2)：237-242

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[5]王國波，楊林德，馬險峰，等.地鐵車站結(jié)構(gòu)三維地震響應(yīng)及土非線性分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2008，4(2)

中圖分類號：U211.9

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0055-04

收稿日期：2015-01-09