地下工程結(jié)構(gòu)抗震研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)抗震；有限元；時程分析；彈性抗力

近年來隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，地上工程已經(jīng)趨于飽和，地下工程建設(shè)迅速增多，尤其是以城市地下空間為主體，地鐵、人防、地下停車場等工程迅速增多。完美的設(shè)計不僅可以保障建筑的安全性，也可以節(jié)省成本，因此地下工程抗震設(shè)計具有重大研究意義，已成為國內(nèi)外各個研究所研究的重要方向之一。

一、地下結(jié)構(gòu)地震影響因素分析

隨著數(shù)學(xué)與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，有限元原理已經(jīng)成為研究地下結(jié)構(gòu)工程抗震的重要原理方法之一，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特征以及計算機(jī)技術(shù)建立有限元模型，可以將許多因素融入到地震反應(yīng)分析中。結(jié)合有限元軟件模擬結(jié)構(gòu)以及土體并進(jìn)行時程分析的時候，首先確定分析參數(shù)，包括單元類型、積分步長、網(wǎng)格劃分、阻尼與地震動輸入問題；然后將數(shù)值模擬計算結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗證數(shù)值模擬方法的科學(xué)性；最后基于數(shù)值分析方法，對地下結(jié)構(gòu)工程地震反應(yīng)影響因素進(jìn)一步加深研究，得出土層剛度、地下結(jié)構(gòu)埋深以及結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)等因素與地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[1]。

當(dāng)今國際上最先進(jìn)的兩大通用有限元計算分析軟件為ABAQUS與ANSYS。二者都具有廣泛的模擬特性與強(qiáng)大的計算功能，無論是研究簡單的線彈性問題亦或者是復(fù)雜的非線性組合難題，無論是簡單的靜態(tài)問題亦或是復(fù)雜的動態(tài)問題，都能夠達(dá)到讓人滿意的效果[2]。ABAQUS可以最真實的反映出土體性狀的本構(gòu)模型，并且有效的進(jìn)行壓孔計算與應(yīng)力計算，具備處理填土或者開挖等巖土工程特定問題的能力[2-3]。目前，該軟件已經(jīng)大量應(yīng)用于巖土工程之中，本文結(jié)合該軟件進(jìn)行動力時程分析，模擬了地下建筑結(jié)構(gòu)與周圍土體在地震力作用下的基本情況。ANSYS不僅能夠計算簡化模型的地震反應(yīng)，并且其自身擁有APDL語言，該語言能夠快捷的實現(xiàn)參數(shù)法分析，從而使得模型的建立更加方便，地下結(jié)構(gòu)工程抗震分析中的擬靜力分析采用該軟件進(jìn)行。

采用數(shù)值分析方法，討論了土層剛度、結(jié)構(gòu)埋深與結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)對于地震反應(yīng)的影響。通過地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)抗震研究的對比得出，周圍土體對地下結(jié)構(gòu)的約束程度對地下結(jié)構(gòu)的抗震性能具有較大影響 [4]。因此在地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計對模型進(jìn)行約束簡化時不能夠簡單的在結(jié)構(gòu)底板施加簡支約束或者彈簧約束，而是應(yīng)該考慮到土體與地下結(jié)構(gòu)間的相互作用約束條件。

二、地基彈簧系數(shù)研究

圖1 周圍土體對結(jié)構(gòu)的彈性抗力

在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，周圍土體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生類似于彈簧的作用的彈性抗力，如圖1所示。在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計建模時，一般采用兩種模型：其一是連續(xù)介質(zhì)模型，即認(rèn)為周圍土體與地下結(jié)構(gòu)是一個整體，共同受力，主要用于動力有限元時程分析；其二是荷載結(jié)構(gòu)模型，將土體對結(jié)構(gòu)的作用力簡化為彈性地基對結(jié)構(gòu)的作用力。結(jié)合彈性地基的彈性抗力模擬周圍圖層對地下結(jié)構(gòu)的作用力。針對荷載結(jié)構(gòu)模型，地基彈性系數(shù)取值方法需借鑒地基機(jī)床系數(shù)取值方法，主要通過現(xiàn)場原位試驗與室內(nèi)試驗獲取[5]。

為簡化地基彈性系數(shù)的計算，本研究以有限元分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，并且結(jié)合已存在的機(jī)床系數(shù)計算公式以及地基彈性系數(shù)經(jīng)驗公式，對公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而得出公式的系數(shù)。

三、地下結(jié)構(gòu)等效側(cè)力法研究

地下結(jié)構(gòu)抗震研究中有很多簡化計算的方法，其中以等效側(cè)力法計算最為簡便，應(yīng)用于各種抗震設(shè)計規(guī)范中。等效側(cè)力法首先假設(shè)結(jié)構(gòu)各個部分振動與地震振動相同，然后將結(jié)構(gòu)上作用的地面加速度乘以結(jié)構(gòu)質(zhì)量[m]所產(chǎn)生的慣性力，同時考慮地下結(jié)構(gòu)周圍土體作用力[6]。地震的主動土壓力按照庫倫理論計算公式，將墻體一側(cè)土砌體產(chǎn)生的水平地震力作用在其質(zhì)心處，然后結(jié)合靜力的平衡原理求解[7]。在計算矩形橫斷面的結(jié)構(gòu)時，墻后填土水平，假設(shè)墻面光滑，側(cè)墻與土體之間不存在摩擦力，此時采用無粘性土朗肯土壓力計算公式較為簡便[7-8]。

等效側(cè)力法一般僅在模型底邊施加彈簧約束，然而在實際情況中周圍土體對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，需充分考慮結(jié)構(gòu)與周圍土體間的作用力。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，要加入周圍土體與地下結(jié)構(gòu)的相互作用約束條件。當(dāng)結(jié)構(gòu)密度較小的時候，若僅考慮底邊的約束，所算得的結(jié)構(gòu)變形會出現(xiàn)不合理的過大變形。所以結(jié)構(gòu)采取四面?zhèn)葔σ约暗走吶�部施加法向以及切向彈簧約束，從而更加接近實際的反應(yīng)出土體與結(jié)構(gòu)在地震作用下的相互作用。

四、結(jié)束語

由于抗震性能優(yōu)于地面結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計一直滯后于地面建筑結(jié)構(gòu)，隨著高層超高層的不斷增多以及地下工程的迅速發(fā)展，社會對地下工程結(jié)構(gòu)的抗震要求不斷提高。地下工程結(jié)構(gòu)抗震研究進(jìn)展的總趨勢為：結(jié)合有限元原理對地震影響因素進(jìn)行更廣泛的分析，研究材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)埋深、土層剛度等因素在地震時對結(jié)構(gòu)的影響；對等效側(cè)力法進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合有限元計算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，確定經(jīng)驗公式參數(shù)，并將結(jié)構(gòu)簡化建立荷載結(jié)構(gòu)模型；所有的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步都是對現(xiàn)存成熟技術(shù)的不斷完善提高，因此針對地下工程結(jié)構(gòu)抗震研究還需要不斷融合現(xiàn)存成熟的數(shù)學(xué)理論以及計算機(jī)實驗?zāi)�擬技術(shù)，站在前輩的肩膀上，一點(diǎn)一滴穩(wěn)步提高，這就是地下工程結(jié)構(gòu)抗震研究的總趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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