顶板大开洞深层地下结构抗震性能分析

2024-05-21陈炜

中国建筑金属结构 2024年4期

陈炜

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092]

0 引言

随着经济的发展，使用需求、设计水平及施工工艺的提高，地下空间结构正朝地下深层化、多层次方向发展。与传统小型地下空间不同，多层地下空间结构更加注重绿色、低碳、节能、智慧等，使得结构功能化多样，结构形式趋于复杂，顶板大开洞的地下结构形式也逐渐增多[1]。与此同时，全球正步入地震频发阶段，大震级地震频繁出现，均对民众的生命财产带来了重大损失。在1995 年的阪神大地震中，中柱垮塌引起的大开地铁车站严重破坏[2]。此后，地下结构的抗震性能才逐渐得到重视[3-6]。针对深层地下结构抗震性能，Chen 等[7]通过四层地铁车站结构振动台试验，发现深层地下结构在低频高能的近断层脉冲地震下，车站中柱是薄弱环节；张椿民[8]对不同层数的地铁车站在地震作用下的响应进行了对比分析，发现随着层数的增加，底层中柱轴力增大，在地震作用下，反应明显增强，各结构构件出现地震组合控制的情况；同时，针对顶板开洞的地下结构抗震性能研究也逐步开展，Zhang 等[9]通过振动台实验对两层地下车站进行研究，发现地震作用下站厅层横梁两端为抗震最薄弱环节；欧飞奇等[10]认为软土地区中两层三跨大开口中庭式车站，在地震作用下存在空间效应，地震对结构有较大影响。然而，针对具有顶板大开洞特性的深层地下结构抗震性能研究尚处于初步阶段，因此，为保证地下空间结构在地震作用下的抗震安全性，需对顶板大开洞深层地下空间结构抗震性能进行评估。本文以地下八层结构为研究对象，采用一维等效线性地震反应分析软件EERA 及有限元软件MIDAS gen，分析了该结构在地震作用下的结构变形、结构承载力、薄弱环节，对类似结构设计提供有益建议。

1 工程概况

该项目为地下8 层市政综合体，地下1 ～2 层为框架结构，顶板上方覆土约2m。地下1 层为地下商业，两侧接周边地块的下沉广场，层高约7m；地下2 层为地下停车库，层高约5.4m，与周边地块互联互通，在地块单侧设置地下道路。地下3 ～8层为箱涵结构，净宽约10.4m；地下3 层为夹层，为综合管廊设置管廊进出线，层高约3.1m；地下4 层为综合管廊层，层高约3.3m；最底层为地铁区间层，地铁区间段在综合管廊下方沿纵向穿越，净高约5.6m，区间底板埋深北侧约30.3m、南侧约43.3m；地铁区间与综合管廊层之间设置宝库及结构空腔。标准段横剖面如图1 所示，基础采用平板式筏基，根据抗浮需求增设钻孔灌注桩。结合低碳、绿色、节能、环保设计理念，在结构顶板上设置大开洞，将自然光线和自然景观引入地下空间，有效减少地下空间给人的幽闭感，提升地下人行的舒适度。

图1 结构剖面图及顶板大开洞示意图

2 工程地质条件

本工程主要地质条件：①填土层、②-2 淤泥质粉质粘土、粉质粘土，地下空间层底板位于该层，承载力特征值65kPa，②-3、②-3a 淤泥质粉质粘土、粉质粘土及其与粉土、粉砂互层、②-4 粉细砂夹粉质粘土，地铁区间层底板穿越该层，承载力特征值110kPa、②-5 粉细砂，部分区间层底板位于该层，承载力特征值200kPa、②-5a 粉质粘土、②-6 中细砂、③-4e、③-4 中粗砂与中细砂、⑤-1、⑤-2 强风化与中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。

3 有限元模型计算

3.1 地震反应计算

根据本项目主体结构特征及工程地质情况，采用反应位移法进行该结构地震反应计算。整体分析流程为：①采用EERA进行土体反应计算；②得到土层地震响应，包括收敛刚度、加速度、位移、剪应力等，结合土层参数计算出土层弹簧刚度，进一步计算出地震作用，包括土体变位荷载、惯性力、周面剪力三种；③再采用有限元软件MIDAS gen 将荷载施加于结构进行荷载组合后计算地震反应。其中，EERA 是由南加州大学开发的一维等效线性地震反应计算软件。

首先进行的土层地震反应计算，将土层参数（包括重度、剪切波速、土类型、泊松比等）、地震波等信息输入EERA 中，根据不同的土层特性选择不同剪切模量、阻尼比与剪应变的关系曲线模拟土的动力非线性特征。本项目黏土层、砂土层采用的动剪切模量比—剪应变、阻尼比—剪应变关系曲线如图2 所示。

图2 土体动剪切模量比—剪应变、阻尼比—剪应变关系曲线

一维地震反应分析需结合地基土分层及结构顶、底板位置考虑，土层单元与结构单元一般取0.5 ～1m，使得土体单元与结构单元节点相对应，便于计算及后处理。

根据地勘报告，拟建场地设计地震分组为第一组，抗震设防烈度7°，拟建场地类别为Ⅳ类，拟建场地特征周期值为0.65s。根据场地特征，基岩处地震波选取3 条地震波（一条人工波及两条天然波）进行调幅，偏于安全地调幅至设防地震（峰值加速度0.10g）和罕遇地震（峰值加速度0.22g）两个水准的水平向地震波，分为两组，每组3 条，共计6 条。设防地震下三条地震波时程曲线如图3 所示。

图3 加速度时程曲线

根据以上参数，通过EERA 程序计算并选取顶、底板相对位移最大的时刻，得到土层一维地震反应，并根据上述流程，采用反应位移法，对此地下8 层结构进行地震反应计算。

3.2 主体结构地震反应分析

在MIDAS gen 中，将周围土体简化为结构外侧的地基弹簧，主体结构采用梁单元模拟，施加上述地震作用。计算地震作用时，结构的重力荷载代表值取自重和水、土压力等永久荷载标准值与各可变荷载的组合值之和，荷载组合及分项系数如表1所示。

表1 荷载分项系数表

本结构抗震设防类别为重点设防类，要求结构的承载力及变形能力满足规范要求。下面从整体变形、结构承载力、薄弱环节三个方面分析结构抗震性能。

整体变形方面，结构在罕遇工况下的整体变形云图如图4 所示，整体变形模式为倒三角变形，结构最大位移均发生在悬臂挡土外墙顶端，此处也是静力工况下结构变形最大的位置，地震工况下结构层间位移等相关内容统计如表2 所示。

表2 不同地震荷载工况下结构各层层间位移及位移角表

图4 在大震工况下的整体结构侧向变形云图

从表2 中可知在地震工况下，结构的顶层X 向层间位移角在中震、大震下分别为1/1572 和1/564。在设防地震作用下，结构最大层间位移角均小于1/550，满足规范要求。根据《建筑抗震设计规范》14.2.4 规定，可采用简化方法计算罕遇地震作用下的抗震变形验算，，结构罕遇地震下层间位移角1/564×1.6=1/353 亦满足规范规定1/250。此外，可以看到地下1 ～2 层层间位移角显著大于地下3 ～8 层，主要是由于地下1 ～2 层为框架结构，地下3 ～8 层为箱涵结构，框架结构抗侧刚度显著弱于箱涵结构，因地下结构在强震作用下有追随土体变形的特性，故建议在设计中应对地下1 ～2 层框架柱进行复核并构造加强，保证其较高的延性。

结构承载力方面，框架柱、侧墙等竖向构件，作为整个结构的关键构件，如发生破坏将引起重大损失。结构侧墙在中震工况下侧墙弯矩云图如图5 所示，结构外墙转角处、底部支撑处及通道连接的开洞处为应力较大位置。结合其余构件分析，总体而言，此结构在地震作用下内力可控。计算结果表明中震及大震下关键构件均能达到性能目标的要求，能够实现预期的性能目标。在设防烈度下，结构安全可靠。

图5 在中震工况下侧墙（地下-1.5 ～-16m）及（地下-16 ～-43m）弯矩云图

薄弱环节方面，由于结构顶板存在大开洞情况，在地震工况下存在平面内变形及内力较大的可能，因而对大开洞的薄弱环节进行分析计算。B0 层洞口梁选取如图6 所示，B0 层洞口梁单元内力对比如表3 显示，在地震工况下，洞口梁剪力、平面内弯矩相比于静力工况显著增大，需在施工图阶段对洞口梁腰筋及箍筋进行复核并加强。此外，根据其余工程案例分析，如大开洞靠近结构外墙，则在地震作用下增幅更加明显，需要重点关注。除洞口边梁外，同时对比分析了大开洞边柱在中震作用下与静力工况下的弯矩、轴力，结果表明，竖向构件有足够安全冗余度，并且重要构件在设防地震作用下保持弹性，柱水平剪力在大震下也未超过柱弹性抗剪承载能力。竖向构件能很好地实现预先设定的性能目标。然而，值得注意的是，本结构中柱仅位于地下1 ～2 层，轴压比相对较低，通过其余案例分析，如深层采用多跨结构，中柱轴压比较高的情况下，延性较低，强震作用下有发生破坏的可能。