岩土体弹性模量对地铁车站地震响应的影响

2022-08-23王晓敏

四川水泥 2022年8期

王晓敏

(西安科技大学高新学院，陕西西安 710050)

0 引言

随着我国城市经济的快速发展，很多城市重视并修建地铁工程，同时对地下结构抗震性能问题提出了更高的要求。而数值模拟分析能够满足地下结构的抗震性要求，能够帮助地铁工程大幅度提高抗震性能。据相关调查显示，目前国内外大多是利用二维模型分析方法对地下结构抗震问题进行分析，二维模型分析法在长期的运用过程中是具有科学性的，也可以为抗震建筑的建设起到重要作用。但随着城市经济的快速发展，地下空间的利用越来越广泛，地下建筑也日益复杂，如果仍旧采用二维模型分析方法进行模拟分析，存在一定的片面性，无法展示工程的实际概况[1]。因此，需要运用三维模型模拟分析当前结构复杂的地下结构抗震问题，将地下建筑的结构立体地展现出来，方便人们施工改造。

鉴于上述分析，本次研究将利用大型通用有限元分析软件ANSYS作为结构数据的模拟工具，以郑州雪松路地铁车站作为案例，构建三维有限元模型，分析不同工况下岩土体弹性模量对地铁车站结构地震的影响，为以后类似的地铁工程建设提供参考。

1 工程概况与基本假定

雪松路站的位置是郑州市中原区郑上路与雪松路交叉口处，是郑州轨道1号线的03合同段，同时也是郑州轨道1号线的第七座车站。雪松路站呈东西走向建设，位于郑上路北侧绿化带的地下，东边是西流湖站，西边是铁沪站，该站的西北方向不远处还有一座加油站。雪松路站共设4个出入口，8个风亭，2个紧急消防疏散通道，消防疏散通道和风亭均为顶出。

为了将不同三维模型的动力响应准确模拟出来，提高模拟分析的高效性，可以采用以下基本假定：

（1）地铁车站地下以及周边的土层都是均质的，而且各个土层之间相互独立，很好地粘结成一个整体，不会出现滑移、脱落等现象。

（2）地铁车站结构的地震波是源于基岩面，基岩面各点运动一致，整个系统的阻尼与振动频率无关，不考虑地震波斜入情况，其特性使用材料阻尼输入[2]。

（3）假设地基土液化及孔隙水压变化不会对地下结构地震问题产生影响，同时也不用考虑地震会引发地基沉降和失稳等问题。

（4）在分析动力响应时，假设车站顶板、区间隧道等不会对地下结构产生影响。

2 相应参数及模型的建立

2.1 相应参数

本文研究的车站为单柱两跨地下两层钢筋混凝土框架箱型结构，其主体结构的外部长313m，宽20.7m，高13.55m，顶板覆2.5m，中板使用的是C35混凝土，中柱材料为C50混凝土，其余的梁、墙和板的材料为C35防水混凝土，抗渗等级P8。

本文选用的地铁车站位于地形平坦、场地平整的平原地区，场地标高为123.60m。根据相关资料可知，该场地的地基土位于45m以上的属于第四系沉积地层，按照岩性、性能等进行划分，可以分为杂填土、强风化粉砂等地质层，一共有七层。

2.2 模型的建立

根据以上基本假定和材料参数，为了无限接近实际工程情况，可以采用ANSYS构建三维有限元模型。其中，使用梁单元模拟车站主体结构的梁和柱，使用壳单元模拟车站主体结构的其他，使用实体单元模拟车站主体结构的土体，土-地下结构体系有限元计算模型尺寸：水平横向尺寸为103.5m，水平纵向尺寸为63m，模型高度为45m。特别注意的是，在运用有限元法进行模拟分析时，需要把无线区间转化，使其变为有限区间[3]。如果土-结构模型的宽度要比车站结构大5倍时，那么动力分析结果则与无线空间分析结果没有多大差别。从三维模型收敛问题角度考虑，在模型边界处，只固定相应边界垂向约束即可，模型底部为完全固定，上表面为完全自由边界，四周只约束相应的水平位移。

要想将车站四周的土体与结构的非线性动力之间的相互作用真实地反映出来，需要将车站四周土地设计成柔性接触面，并且选用CONTA173单元，将车站结构外的混凝土设计成刚性目标面，并且选用TARGE170 单元。由于接触刚度十分重要，决定了两个表面之间入侵量大小，因此本文选取FKN值为105。

本次研究是根据上述要求，利用APDL方式来进行三维模型建立。为了将地铁车站在地震作用下的反应基本规律真实地反映出来，需要从地铁车站中选取中间部分截面，即Z轴-31.5m，并且将其定为关键节点，通过研究这些关键节点的地震反应规律就可以基本确定车站结构的反应规律。车站结构具有对称性特征，在车站结构的关键处找出具有代表性的13个点作为关键点来进行分析。

3 土体弹性模量对地下结构的地震响应的影响

车站的地下部分对地震的反应情况与其地基的地质情况关系密切，受到地基土变形的影响，地基土变形情况决定了地下结构是否安全。通常，加固地层能够减小结构周边土层变形情况，是常用的减震方法。本文主要是对不同工况下弹性模量对地下结构的影响进行分析和研究。其中，工况一的弹性模量是原有岩土体；工况二的弹性模量是原有岩土体增大1.2倍；工况三的弹性模量是原有岩土体增大1.5倍。在这三种工况下，模型参数不变，将水平方向el-centro 波输入进去，计算出车站的动力响应。

3.1 位移分析

不同工作状况下，建筑结构主要节点的位移值比较如图1所示。

图1 各工况下主要节点的水平位移

工况二、工况三结构的最大位移与最大水平相对位移见图2~5。

图2 工况二下结构的最大位移

图3 工况二下结构最大水平相对位移

图4 工况三下结构的最大位移

图5 工况三下结构最大水平相对位移

通过分析可以看出，当岩土的弹性模量增加，车站结构的关键节点的位移就会减小，车站主体结构关键点的水平位移会减小。岩土体的弹性模量越大，水平位移减小得越明显。相应的，车站主体结构的动力性能有很大改善，结构顶板位移下降幅度为10.36%、楼板位移下降幅度为10.15%、地板位移下降幅度为9.74%，同时主体结构关键点的最大相对位移也会减小，幅度大约为21.5%。各关键阶段的位移峰值与最大相对位移，会伴随车站岩土体弹性模量的增大而提前到最大值[4]。具体来看，工况二提前时间是0.6s，工况三提前时间是1.2s。由此可见，在地震荷载下，车站岩土体的刚度越大，剪切变形越小，对地铁车站结构变形的影响就越小，反之越大。

3.2 应力分析

不同工况下，地铁车站结构的各个节点最大应力具体见图6。

由图6柱状图可知，在不同岩土体弹性模量下，各主要节点的最大主应力响应规律基本一致，土体弹性模量越大，结构部位的应力减小得越明显[5]。其中，最大主应力最大的减小幅度为8个节点，最小减小幅度是2个节点，分别可达到35.03%与3.04%。提高岩土体弹性模量对减少地震荷载作用比较明显。

图6 各工况下各节点的最大主应力

工况二、三下结构的最大等效应力云图见图7、图8。可以看出结构云图规律基本趋于一致，随着土体弹性模量的增大，结构最大等效应力峰值提前达到，工况二应力峰值提前0.6s到达，工况三提前1.0s到达。在这一过程中，主体结构的频谱特性有所改善，最大等效应力的减小幅度达到6.17%。通过分析可知，土体弹性模量增大，车站结构的约束也会随之增大，相应的车站结构变形减小，应力也会减小。