程學(xué)磊,李文東,海然,劉彥,何鮮峰,夏錦紅
(1. 中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 河南 鄭州 450007; 2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院 工程力學(xué)研究所, 河南 鄭州 450003;3.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026; 4.新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453003)
現(xiàn)行軟土場(chǎng)地地鐵車站結(jié)構(gòu)體系抗震規(guī)范設(shè)計(jì)方面與可液化砂土地基場(chǎng)地相比還較為粗泛,僅給出了若干定性、籠統(tǒng)的規(guī)定,尚缺乏更為深入和系統(tǒng)的研究??紤]軟弱場(chǎng)地影響的地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力體系地震響應(yīng)對(duì)于加深地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震認(rèn)識(shí)和促進(jìn)巖土地震工程發(fā)展均具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義[1-3]。
近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在軟土場(chǎng)地地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震方面進(jìn)行了諸多相關(guān)研究。Pitilakis等[4]基于動(dòng)力總應(yīng)力數(shù)值方法,參數(shù)化系統(tǒng)研究了地下結(jié)構(gòu)與地表結(jié)構(gòu)體系在水平地震激勵(lì)下的復(fù)雜動(dòng)力響應(yīng)。莊海洋等[5]還基于動(dòng)力總應(yīng)力方法,考慮土體與混凝土非線性以及土結(jié)接觸非線性,研究了地鐵車站在規(guī)范規(guī)定的不同場(chǎng)地類別條件下地下結(jié)構(gòu)層間位移和位移角反應(yīng)特征以及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力反應(yīng)特征。夏晨等[6]基于動(dòng)力總應(yīng)力方法,通過建立合理計(jì)算模型研究了不同結(jié)構(gòu)剛度、接觸面摩擦系數(shù)以及地震波等條件下地鐵車站的最大層間位移變形。唐小微等[7]基于動(dòng)力總應(yīng)力方法,建立軟土場(chǎng)地箱型雙層預(yù)應(yīng)力大跨度地鐵車站體系非線性相互作用有限元模型,分析了震害發(fā)生時(shí)大跨度預(yù)應(yīng)力地鐵車站結(jié)構(gòu)的破壞過程、破壞形式和抗震薄弱位置。Zhuang等[8]基于動(dòng)力總應(yīng)力有限元方法,提出了土-結(jié)靜動(dòng)力耦合接觸模型,其中土體采用改進(jìn)的黏塑性本構(gòu)模擬土體強(qiáng)非線性特征,對(duì)軟土場(chǎng)地地鐵車站地震損傷情況進(jìn)行了評(píng)估。進(jìn)一步地,崔春義等[9]采用飽和兩相介質(zhì)動(dòng)力分析方法,分析了軟基場(chǎng)地中地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性和災(zāi)變機(jī)理。在已有軟土場(chǎng)地地鐵地下結(jié)構(gòu)研究專題中,軟土地基土性參數(shù)對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)敏感性分析還有待進(jìn)一步研究。
本文將結(jié)合已有國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的特點(diǎn)和局限性展開,基于有限元開源程序平臺(tái)OpenSEES,采用完全耦合飽和兩相介質(zhì)有效應(yīng)力動(dòng)力求解方法,建立飽和軟土場(chǎng)地-地鐵地下結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力相互作用體系數(shù)值計(jì)算模型,其中場(chǎng)地土體采用多屈服面動(dòng)力彈塑性本構(gòu)模型,地鐵車站結(jié)構(gòu)采用能考慮截面型式及配筋率的纖維截面彈塑性模型,由各土性因素參數(shù)(六因素、三水平)對(duì)飽和軟土場(chǎng)地中地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)進(jìn)行極差、方差和線性回歸分析的參數(shù)敏感性分析。
OpenSEES(open system for earthquake engineering simulation)是一個(gè)在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的有限元計(jì)算平臺(tái),可用于巖土及結(jié)構(gòu)工程非線性靜動(dòng)力分析,OpenSEES計(jì)算流程如圖1所示。本文數(shù)值算例以飽和軟土場(chǎng)地單層雙跨地鐵車站為背景(1995年日本阪神地震大開車站坍塌段結(jié)構(gòu)型式),地鐵車站結(jié)構(gòu)橫截面尺寸如圖2所示。其中,結(jié)構(gòu)埋深11.00 m,橫截面尺寸:寬為17.00 m,高為7.17 m,中柱間距為3.50 m。所建立的軟土夾層場(chǎng)地地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系有限元計(jì)算模型如圖3所示,場(chǎng)地尺寸為170.00 m×30.00 m。場(chǎng)地土體采用quadUP水土耦合單元模擬,土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值并參考OpenSEES黏土本構(gòu)推薦值選取[10],軟質(zhì)黏土本構(gòu)參數(shù)取值見表1。
圖1 OpenSEES計(jì)算流程Fig. 1 Calculation flow chart of OpenSEES
圖2 地鐵車站結(jié)構(gòu)橫截面尺寸Fig. 2 Cross section ofsubway station structure
圖3 有限元計(jì)算模型Fig. 3 Finite element model of calculation
表1 軟質(zhì)黏土本構(gòu)參數(shù)取值Tab.1 Model parameters of soft clay
地鐵地下結(jié)構(gòu)采用纖維截面單元考慮其非線性動(dòng)力性能,纖維截面示意圖如圖4所示。具體地,結(jié)構(gòu)混凝土采用Concrete02本構(gòu)模型(修正 Kent-Park混凝土模型[11-12]),鋼筋混泥土本構(gòu)模型如圖5所示?;炷翍?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖5(a)所示,圖5(a)中應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)?、彈性模量E等參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[11],混凝土密度為2 500 kg/m3;鋼筋采用Steel02動(dòng)力等向硬化雙線性材料模型[13]。鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖5(b)所示,其中鋼筋彈性模量為200 GPa,屈服強(qiáng)度為400 MPa。
圖4 纖維截面示意圖Fig. 4 Schematics of fiber cross section
本文采用的飽和兩相介質(zhì)矩陣數(shù)值方程為[14]
(1)
(2)
黏土采用多屈服面運(yùn)動(dòng)塑性本構(gòu),黏土多屈服面模型屈服面方程為
(3)
黏土多屈服面塑性本構(gòu)采用偏量隨動(dòng)硬化定律,屈服面運(yùn)動(dòng)方向張量定義為
(4)
式中,sT為二階偏應(yīng)力張量,表示屈服面fm+1和fm交點(diǎn)的偏應(yīng)力張量;αm和αm+1分別為屈服面fm和fm+1中心。
(a) 混凝土壓應(yīng)力f-壓應(yīng)變?chǔ)徘€
(b) 鋼筋應(yīng)力f-應(yīng)變?chǔ)徘€
數(shù)值模型具體采用Rayleigh阻尼模擬能量的耗散效應(yīng),具體選取5%阻尼比。場(chǎng)地底部和兩側(cè)設(shè)定為不排水邊界,地表為排水邊界。為更好模擬地基半無限空間效應(yīng),選取模型尺寸為結(jié)構(gòu)寬度10倍,且兩側(cè)設(shè)定為捆綁邊界。動(dòng)力計(jì)算中采用HHT逐步時(shí)間積分方法求解,該方法可以考慮能量消散和二階精度。
在進(jìn)行動(dòng)力分析之前,先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡(彈性-塑性階段),之后由基底剛性邊界水平輸入持續(xù)時(shí)間為30 s的Kobe地震波,波形和對(duì)應(yīng)傅里葉譜如圖6所示,該地震波低頻成分較為豐富,特征頻率為1.5 Hz(對(duì)應(yīng)特征周期0.67 s),根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010),一般土與軟弱土場(chǎng)地特征周期為0.60~0.80 s,因此Kobe地震波適用于軟土場(chǎng)地。所有數(shù)值計(jì)算結(jié)果均通過自編MATLAB接口程序?qū)崿F(xiàn)提取和處理。
(a) 地震動(dòng)時(shí)程
(b) 傅里葉譜
地下結(jié)構(gòu)動(dòng)內(nèi)力峰值呈現(xiàn)對(duì)稱分布,并主要集中在板柱節(jié)點(diǎn)位置[15]。為了便于分析,選取如圖7所示車站結(jié)構(gòu)板柱節(jié)點(diǎn)位置作為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面。圖8所示為不同地震作用下各關(guān)鍵截面動(dòng)內(nèi)力峰值變異系數(shù)情況。由圖8可見,相較于動(dòng)軸力而言,地震動(dòng)強(qiáng)度變化(0.05g、0.10g、0.20g和0.30g)對(duì)車站結(jié)構(gòu)動(dòng)彎矩和動(dòng)剪力影響更為顯著。由于地下結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu),僅在重力作用下P7和P8位置主要承受壓力,因此剪力和彎矩理論上為0。其次,中柱截面顯著小于其他位置剪力墻結(jié)構(gòu),因此在地震作用下導(dǎo)致中柱的動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值變化較大。按照各關(guān)鍵截面動(dòng)內(nèi)力峰值變異系數(shù)大小進(jìn)行排序,動(dòng)軸力峰值變異系數(shù)前2個(gè)關(guān)鍵截面位置為頂板兩端(P11位置、P14位置),動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值的前2個(gè)顯著關(guān)鍵截面位置均為中柱上、下端部(P7、P8位置),進(jìn)而將上述截面位置作為后續(xù)分析中的最不利截面位置。
具體選取底板中端上抬量、底板中端下5 m處特征點(diǎn)F1處動(dòng)孔壓比峰值和結(jié)構(gòu)動(dòng)軸力峰值(P14位置)、結(jié)構(gòu)動(dòng)剪力峰值(P8位置)及結(jié)構(gòu)動(dòng)彎矩峰值(P8位置)為地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)典型指標(biāo),進(jìn)而針對(duì)軟基土性參數(shù)所引起的動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)變化進(jìn)行參數(shù)敏感性分析[9]。
圖7 地鐵車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面受力部位示意圖Fig.7 Schematic diagram of key parts of dynamic force of subway station structure
圖8 各地震動(dòng)強(qiáng)度作用下關(guān)鍵截面動(dòng)內(nèi)力峰值變異系數(shù)Fig. 8 CV for dynamic internal forces of typical sections with different earthquakes
由于土體的非均質(zhì)性及復(fù)雜多變性,本文擬采用L18(36)正交表安排飽和軟土本構(gòu)參數(shù)密度、參考剪切模量、參考體積模量、黏聚力、滲透系數(shù)及孔隙率共6個(gè)土性參數(shù)進(jìn)行“六因素、三水平”18組數(shù)值試驗(yàn)分析。各因素變化幅度為±5%,具體為減少5%(記為-5%,水平1),不變(記為0,水平2),增加5%(記為5%,水平3)。因此,按照各因素變化幅度,密度3個(gè)水平值分別為1.62、1.70、1.79×103kg/m3(水平1、水平2、水平3,下同);參考剪切模量3個(gè)水平值分別為1.62、1.70、1.79×104kPa;參考體積模量3個(gè)水平值分別為7.51、7.90、8.30×104kPa;黏聚力3個(gè)水平值分別為17.1,18.0,18.9 kPa;滲透系數(shù)3個(gè)水平值分別為0.95、1.00、1.05×10-7m/s;孔隙率3個(gè)水平值分別為0.57、0.60、0.63。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2,對(duì)應(yīng)各工況下典型指標(biāo)動(dòng)力響應(yīng)值見表3。
表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案(六因素、三水平)Tab.2 Orthogonal experimental design (six factors and three levels)
表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中各工況動(dòng)力響應(yīng)值Tab.3 Results of dynamic responses of various conditions based on orthogonal design
2.2.1 極差分析
對(duì)應(yīng)軟基土性參數(shù)因素變化的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)極差如圖9所示。
(b) 底板中點(diǎn)上抬量
(c) P14動(dòng)軸力
(d) P14動(dòng)剪力
(e) P14動(dòng)彎矩
由圖9可見,各因素對(duì)特征點(diǎn)F1動(dòng)孔壓比峰值的指標(biāo)敏感性由大到小依次為參考剪切模量,密度,黏聚力,參考體積模量,滲透系數(shù)、孔隙率;各因素對(duì)底板中點(diǎn)上抬量的指標(biāo)敏感性由大到小依次為密度,黏聚力,參考體積模量、滲透系數(shù)、孔隙率,參考剪切模量;各因素對(duì)P14位置動(dòng)軸力峰值的指標(biāo)敏感性由大到小依次為密度,黏聚力,參考體積模量,參考剪切模量、滲透系數(shù)、孔隙率;各因素對(duì)P8位置動(dòng)剪力峰值的指標(biāo)敏感性由大到小依次為黏聚力、密度、參考參考剪切模量、參考體積模量、滲透系數(shù)、孔隙率;各因素對(duì)P8位置動(dòng)彎矩峰值的指標(biāo)敏感性由大到小依次為黏聚力,密度,參考剪切模量,參考體積模量,滲透系數(shù)、孔隙率。
綜上所述,對(duì)飽和軟基中地鐵車站結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)敏感性最為顯著的土性參數(shù)為密度和黏聚力,且敏感性明顯高于其他土性參數(shù),其次為參考剪切模量,其對(duì)特征點(diǎn)動(dòng)孔壓比峰值敏感性最大,其他參數(shù)的敏感性相對(duì)較小。特別地,滲透系數(shù)和孔隙率參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)極差均較小,說明滲透系數(shù)和孔隙率為6個(gè)土性參數(shù)中最不敏感的因素參數(shù)。
2.2.2 方差分析
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中各工況動(dòng)力響應(yīng)值見表4。從表4中可以看出:飽和軟土密度和黏聚力的變化對(duì)結(jié)構(gòu)底板上抬、特征截面動(dòng)內(nèi)力響應(yīng)影響高度顯著;剪切模量變化對(duì)特征截面動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值影響高度顯著,對(duì)結(jié)構(gòu)底板上抬較為顯著;體積模量變化對(duì)動(dòng)軸力峰值影響高度顯著,對(duì)動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值影響較為顯著;滲透系數(shù)和孔隙率變化對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響均不顯著。
表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中各工況動(dòng)力響應(yīng)值Tab.4 Results of dynamic responses of subway station based on orthogonal design
2.2.3 回歸分析
① 動(dòng)孔壓比峰值多元回歸分析
對(duì)18組特征點(diǎn)動(dòng)孔壓比峰值正交數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸,線性方程為
y=0.227-0.013x1+ 0.016x2-0.002x3+0.012x4-0.009x5+ 0.009x6,
(5)
式中:y為特征點(diǎn)動(dòng)孔壓比峰值;x1為飽和軟土密度;x2位參考剪切模量;x3為參考體積模量;x4為黏聚力;x5為滲透系數(shù);x6為孔隙率。
對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),求得P值水平為P=[0,0.085,0.035,0.767,0.105,0.220,0.220],不難看出,在顯著性水平為0.05的情形下,常數(shù)項(xiàng)、參考剪切模量與特征點(diǎn)動(dòng)孔壓比峰值存在線性關(guān)系,其他因素試驗(yàn)值與回歸方程擬合程度一般,回歸效果不顯著,因此不能引入方程。于是,方程可改寫為
y=0.227+0.016x。
(6)
② 底板中點(diǎn)上抬量多元回歸分析
同樣,對(duì)18組結(jié)構(gòu)底板中點(diǎn)上抬量正交數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸,得到如下線性方程:
y=0.036+0.008x1+0.000x2+0.000x3-0.004x4+0.000x5+0.000x6。
(7)
對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),求得P值水平為P=[0.000,0.000,0.259,0.644,0.000,0.816,0.490]。不難看出,在顯著性水平為0.05的情形下,常數(shù)項(xiàng)、密度和黏聚力與特征點(diǎn)結(jié)構(gòu)底板中點(diǎn)上抬量存在線性關(guān)系,其他因素試驗(yàn)值與回歸方程擬合程度一般,回歸效果不顯著,因此不能引入方程。于是,方程可改寫為
y=0.036+0.008x1-0.004x4。
(8)
③ P14位置動(dòng)軸力多元回歸分析
對(duì)18組P14位置動(dòng)軸力峰值進(jìn)行多元線性回歸,得到如下線性方程:
y=1 248.667+50.667x1+0.167x2+5.167x3+9.917x4-0.333x5+0.333x6。
(9)
對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),求得P值水平為P=[0.000,0.000,0.772,0.000,0.000,0.565,0.565]。不難看出,在顯著性水平為0.05的情形下,常數(shù)項(xiàng)、密度、參考體積模量和黏聚力與特征截面P14位置處動(dòng)軸力存在線性關(guān)系,其他因素試驗(yàn)值與回歸方程擬合程度一般,回歸效果不顯著,因此不能引入方程,于是
(6)You flexible spending account form was not signed.
y=1 248.667+50.667x1+5.167x3+9.917x4。
(10)
④ P8位置動(dòng)剪力多元回歸分析
對(duì)18組P8位置動(dòng)剪力峰值進(jìn)行多元線性回歸,得到如下線性方程
y=62.056+1.500x1-0.583x2-0.083x3+2.833x4-0.167x5+0.083x6。
(11)
對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),求得P值水平為P=[0.000,0.000,0.003,0.603,0.000,0.307,0.603]。不難看出,在顯著性水平為0.05的情形下,常數(shù)項(xiàng)、密度、參考剪切模量和黏聚力與特征截面P8位置處動(dòng)剪力存在線性關(guān)系,其他因素試驗(yàn)值與回歸方程擬合程度一般,回歸效果不顯著,因此不能引入方程,于是
y=62.056+1.500x1-0.583x2+2.833x4。
(12)
⑤ P8位置動(dòng)彎矩多元回歸分析
對(duì)18組P8位置動(dòng)彎矩峰值進(jìn)行多元線性回歸,得到如下線性方程:
y=222.222+4.750x1-1.750x2-0.500x3+10.500x4-0.250x5+0.167x6。
(13)
對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),求得P值水平為P=[0.000,0.000,0.000,0.019,0.000,0.196,0.379]。不難看出,在顯著性水平為0.05的情形下,常數(shù)項(xiàng)、密度、參考剪切模量、參考體積模量和黏聚力與特征截面P8位置處動(dòng)剪力存在線性關(guān)系,其他因素試驗(yàn)值與回歸方程擬合程度一般,回歸效果不顯著,因此不能引入方程。于是
y=222.222+4.750x1-1.750x2-0.500x3+10.500x4。
(14)
本文基于u-p格式Biot動(dòng)力固結(jié)方程和飽和兩相介質(zhì)有效應(yīng)力動(dòng)力求解方法,建立了飽和軟土場(chǎng)地-地鐵車站結(jié)構(gòu)相互作用體系有效應(yīng)力耦合動(dòng)力分析數(shù)值模型,圍繞飽和軟土地基中地鐵車站結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)分析指標(biāo),進(jìn)一步通過對(duì)各土性參數(shù)因素變化對(duì)強(qiáng)震作用引起的軟基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)敏感度進(jìn)行了綜合分析。計(jì)算與分析結(jié)果表明:
① 由各土性因素參數(shù)對(duì)軟基中地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)的極差分析情況可知:對(duì)飽和軟基中地鐵車站結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)敏感性最為顯著的土性參數(shù)為密度和黏聚力,且敏感性明顯高于其他土性參數(shù);其次為參考剪切模量,其對(duì)特征點(diǎn)動(dòng)孔壓比峰值敏感性最大;其他參數(shù)的敏感性相對(duì)較小。特別地,滲透系數(shù)和孔隙率參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)極差均較小,說明滲透系數(shù)和孔隙率為6個(gè)土性參數(shù)中最不敏感的因素參數(shù)。
② 由各土性因素參數(shù)對(duì)軟基中地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)的方差分析情況可知:飽和軟土密度和黏聚力的變化對(duì)結(jié)構(gòu)底板上抬、特征截面動(dòng)內(nèi)力響應(yīng)影響高度顯著;剪切模量變化對(duì)特征截面動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值影響高度顯著,對(duì)結(jié)構(gòu)底板上抬較為顯著;體積模量變化對(duì)動(dòng)軸力峰值影響高度顯著,對(duì)動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值影響較為顯著;滲透系數(shù)和孔隙率變化對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響均不顯著。
③ 由各土性因素參數(shù)對(duì)軟基中地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)各指標(biāo)的線性回歸情況可知:在顯著性水平為0.05的情形下,常數(shù)項(xiàng)、參考剪切模量與特征點(diǎn)動(dòng)孔壓比峰值存在線性關(guān)系;常數(shù)項(xiàng)、密度和黏聚力與特征點(diǎn)結(jié)構(gòu)底板中點(diǎn)上抬量存在線性關(guān)系,常數(shù)項(xiàng)、密度、參考體積模量和黏聚力與特征截面P14位置處動(dòng)軸力存在線性關(guān)系,常數(shù)項(xiàng)、密度、參考剪切模量和黏聚力與特征截面P8位置處動(dòng)剪力存在線性關(guān)系,常數(shù)項(xiàng)、密度、參考剪切模量、參考體積模量和黏聚力與特征截面P8位置處動(dòng)剪力存在線性關(guān)系。