南京青奥城轴线地下空间三维地震响应分析

2015-03-16段国华

铁道勘察 2015年2期

关键词：静力内力弯矩

段国华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

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

DUAN Guohua

南京青奥城轴线地下空间三维地震响应分析

段国华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

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

DUAN Guohua

摘要以南京青奥城轴线地下空间(地下停车场)为研究对象，采用FLAC3D有限差分软件对地下空间静力及地震作用两种工况进行数值模拟，对比分析结构内力变化规律，研究分析地下空间结构的动力特性。

关键词地下空间有限差分地震动力响应

十二五规划以来，伴随着城市轨道交通建设快速发展，地下空间，尤其是地下商场和地下停车场的开发利用已进入空前的规模。此类地下空间多与轨道交通及地下综合体等结构直接相连，地下空间体结构复杂，人流较大，对抗震要求高，但目前地下空间的抗震减灾研究相对滞后。一般认为地下结构受土体约束，地震对其影响不大，但近年来地下结构震害频发，地下结构抗震问题受到世界各国的重视[1-3]。

地下结构抗震设计计算方法，从力学特性上可分为拟静力和动力反应分析方法两类[4]。目前国内外多采用拟静力方法进行地下结构抗震设计，如地震系数、反应位移法等。拟静力法虽计算简便，但不能很好地处理介质中的非均匀性、各向异性、非线性及复杂的几何形状和边界条件，具有一定的局限性。而动力时程分析法能计算结构构件在每个时刻的地震反应，适用于任意的地下结构类型，是地下结构抗震分析方法中最为精确全面的方法，多用于特别重大的项目或很复杂的结构及土质条件[5]。

1工程背景

南京梅子洲过江通道地下停车场是青奥城配套项目，与通道接线工程同期建设，位于通道主线上部，青奥城地下交通系统L、J匝道之间，开发规模为24 109 m2。地下空间与梅子洲隧道主线在结构上互相独立，中间通过回填覆土或素混凝土完成荷载转换。地下空间顶板覆土厚度1.5～2.0 m，地下空间净高按4.0 m考虑，且考虑顶板以下1 m的管线布设空间。

该区域地层上部均为第四系松散沉积物，下伏白垩系基岩。揭露深度内场地土类型上部以软弱土为主，中部为中硬土及坚硬土，下部为软质岩。场地覆盖层厚度为57～61 m，场地等效剪切波速为124.3～135.0 m/s。建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s。场地范围内无全新活动断裂通过，发育有可液化土层及软土层，液化等级轻微-中等。场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，抗震设防类别为重点设防类。

2计算方法

2.1　计算区域及网格划分

根据相关规范规定及地下空间的规模、几何特征，地下空间结构宽度取其最大宽度的3倍，前后左右土体各取结构宽度的1倍；模型深度根据钻孔勘探资料取其地表下70 m弱风化基岩处。三维计算模型见图1。

图1　三维计算模型

2.2　本构模型及计算参数确定

根据地质勘查报告所提供的地质情况(如表1所示)，对地下停车场所在地层进行分层模拟，土体采用弹塑性模型，屈服准则为摩尔-库仑准则。

表1　土层分布及物理力学参数

振动台试验研究表明，在超越概率为10%的人工波作用下，典型软土中的地铁车站结构仍处于弹性工作性能状态[5]。因此，在静力及地震动力计算中，混凝土结构均选用弹性本构模型，结构构件混凝土材料参数如表2所示。

表2　混凝土材料参数

由于一般混凝土的动弹性模量比其静弹性模量高约30%～50%[1-4]，故结构构件混凝土材料的动弹性模量取其静荷载时的1.4倍，泊松比均取其静荷载时的泊松比。土体参数和静力作用下的相同，采用弹塑性模型和摩尔-库伦屈服准则。

2.3　边界条件及地震波输入

(1)边界条件

静力分析时，侧向边界均为水平位移约束边界，底部边界为竖向位移约束边界，地表为自由变形边界；地震动力分析时，侧向边界均为自由场边界，底部为竖向固定。由于底部为基岩剪切，波速较大，不必施加静态边界，水平向可输入加速度时程，地表为自由变形边界。

(2)地震波的输入

为研究地下空间结构在不同地震强度作用下的受力变形特征，除静力分析外，采用两种不同强度的地震：一是100年超越概率为2%的南京人工地震波作为罕遇地震输入；二是100年超越概率为63%的南京人工波作为常遇地震输入。时程曲线见图2。

图2　地震动输入的南京波加速度时程曲线

3计算结果及分析

利用FLAC3D有限差分软件对地下停车场静力及地震作用下进行数值模拟，对比分析两种工况结构内力变化规律；地震动力响应分析中，考虑了两种不同地震波的输入，研究分析其结构的动力特性。

3.1　地震特性分析

地下空间在地震作用也会发生一定的沉降和水平位移，其沉降和水平位移云图分别如图3和图4所示。罕遇地震作用下地下空间的最大沉降为13.2 mm，发生在地下空间西北角，最大水平位移发生在顶板处，最大值为34.5 mm。

图3　地震作用下地下空间沉降

图4　地震作用下地下空间结构水平位移

3.2　内力分析

根据混凝土材料强度理论，并通过对地下空间结构在静力作用下和地震作用下的内力进行对比，可以判断出结构在地震作用下的安全性。为了验算地下结构在常遇地震和罕遇地震下地下空间结构抗震能力，对100年超越概率为63%和2%进行地震动输入。

(1)顶板内力分析

顶板水平方向的弯矩云图如图5所示，顶板结构内力最大值对比见表3。

图5　顶板Mx云图

表3　顶板结构内力最大值对比

由图5和表3可以看出：顶板结构内力最大值出现在柱子和顶板交结处，在地震作用下，弯矩增加不明显，增加率均为1%左右，而水平向轴力增加较多，增加率达115.95%，最大值集中在L匝道上方凹陷处。在常遇地震作用下内力的增加率均小于罕遇地震作用下内力值，尤其是罕遇地震水平轴力的最大值要远大于常遇地震的轴力值。

(2)底板内力分析

底板水平方向的弯矩云图如图6所示，底板结构内力最大值对比见表4。

图6　底板Mx云图

结构内力内力绝对值最大值/(kN·m)工况静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/%弯矩Mx-805.83-890.8010.54-816.71.3弯矩My-744.02-720.25-3.19-717.2-3.6轴力Nx-783.47-1045.90233.50-843.97.7

由图6和表4可以看出：底板内力最大处集中在左上角，底板下沉的边缘处和地下空间与L匝道的接触处。在地震作用下，弯矩增加不明显，而水平向轴力增加较多，增加率达233.5%。底板在罕遇地震作用下水平轴向力的增加率要远远大于地下空间结构的顶板，在设计中应该加以注意。

(3)边墙内力分析

边墙内力最大值对比见表5。