抗震性能地鐵論文范文

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1計算模型

1.1計算模型選取本文擬采用大型有限元分析軟件ANSYS對青島地鐵保兒車站進行地震動力反應分析，并且與同跨度矩形斷面地震動反應進行對比，同時針對青島車站的震后破壞機理及抗震能力進行討論。拱形斷面有限元分析模型如圖2所示。本文以上述拱形無中柱地鐵車站結(jié)構(gòu)作為計算模型，已有的數(shù)值模擬和以往的振動臺試驗研究結(jié)論表明［2－3］：當選取的土體模型平面尺寸與結(jié)構(gòu)尺寸之比大于或等于5時，動力計算結(jié)果接近于穩(wěn)定，側(cè)向邊界的影響可以不予考慮。本文所取模型的基巖位于地表以下60m，計算模型選取120m范圍內(nèi)的土體介質(zhì)，兩側(cè)和下側(cè)均為結(jié)構(gòu)尺寸的5倍寬度。為了比較精確的模擬地震動對車站的影響，本文中采用粘彈性邊界。

1.2土與結(jié)構(gòu)的單元模擬青島地區(qū)土層之間的物理力學性質(zhì)相差較大，這里參考青島地鐵的勘測數(shù)據(jù)可知：青島地區(qū)具有國內(nèi)特有的硬質(zhì)大理石巖地層條件，呈現(xiàn)上軟下硬的分布特征。相對于目前的理論模型而言，為使有限元模擬結(jié)果盡量真實地反映青島地區(qū)巖土的實際分布與地震反應，本文做如下假設(shè)：有限元計算模型中，結(jié)構(gòu)周圍土體部分與車站主體結(jié)構(gòu)本身均選用四邊形等參數(shù)位移協(xié)調(diào)單元來模擬，通過改變材料的彈性模量、粘聚力等力學參數(shù)來模擬不同土層的材料特性，如表1所示。基巖輸入地震波，穿過底層約50m厚的大理石巖時，衰減較小，所以本文基巖輸入地震波數(shù)據(jù)可以直接作為結(jié)構(gòu)所在巖層高程的地震波輸入，而且，與將地表所測地震波經(jīng)過兩次反演所得到的波形誤差相比小很多。土體的動力本構(gòu)模型采用非線性黏彈性模型，計算時采用Plane42來模擬土體，具體土體的本構(gòu)模型介紹和具體的動力參數(shù)詳可參考相關(guān)文獻［4］。車站結(jié)構(gòu)襯砌材料是C35鋼筋混凝土，可以采用Beam3梁單元來模擬襯砌受力。襯砌混凝土材料參數(shù)如表2所示。

1.3人工邊界的加載人工邊界采用粘性邊界即彈簧與阻尼器并聯(lián)的形式。ANSYS中的COMBIN14單元由并聯(lián)的彈簧和阻尼器單元組成，因此，可以借助于COMBIN14單元來實現(xiàn)模型粘彈性人工邊界條件的加載。

1.4地震波的選擇與輸人本文選取EL－Centro波。在本次模型計算中為了縮短計算時間，同時達到說明問題的效果，對EL－Centro選取了加速度值較大的時段：0～16s，并且用SeismoSignal對地震波形進行基線修正，修正后可得到如圖3所示的EL－centro波。

2有限元結(jié)果分析

2.1內(nèi)力響應本文的動力反應分析主要是在同一地震波作用下比較兩種結(jié)構(gòu)（拱形和矩形斷面）產(chǎn)生的動力響應：對結(jié)構(gòu)頂板或拱頂，以及結(jié)構(gòu)頂部與邊墻的交接部位、邊墻的底部、矩形結(jié)構(gòu)底板中部四個控制部位進行具體內(nèi)力和加速度分析。結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應如圖4～圖11所示。ANSYS分析時采用10階振型進行模態(tài)拓展。第1振型周期長，即相當于剛度較小，剛度小的結(jié)果就是容易發(fā)生變形。第1振型（低振型）貢獻比較大，至最后的6～10階貢獻逐級降低，高振型的“共振”反應不如低振型。在抗震設(shè)計時，可以參考低振型振動周期推測結(jié)構(gòu)的自振周期。由于篇幅原因，軸力以及位移時程和矩形結(jié)構(gòu)時程結(jié)果不再以圖的形式給出。地震動條件下拱形結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力最大值以及對應時間見表3，兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果對比如表4。由圖4～圖11以及表3～表4可得到：拱形結(jié)構(gòu)在地震作用下，墻腳部分彎矩、軸力最大，拱腳部分剪力最大。拱形結(jié)構(gòu)和同跨度的矩形結(jié)構(gòu)相比，各內(nèi)力值尤其是剪力值明顯減小，顯現(xiàn)出了較好的抗震性能。

2.2加速度響應分析主要對比分析兩種結(jié)構(gòu)中拱頂和墻腳的加速度響應，如圖12、圖13所示。由此可知，在拱頂（頂板）處與頂板端點相比，矩形和拱形結(jié)構(gòu)加速度時程響應相差不多；但是在墻腳處，矩形結(jié)構(gòu)的加速度響應明顯強于拱形結(jié)構(gòu)。所以在一定意義上，采用拱形結(jié)構(gòu)可以較好的緩沖地震動對于墻腳處（相對薄弱環(huán)節(jié)）的影響。

2.3動力和靜力加載結(jié)果對比在地震荷載作用下結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力與其在靜力條件下的對比見表5。可見，拱形結(jié)構(gòu)在水平橫向地震作用下，承受了絕大部分的水平荷載。從表5可以看出：橫向地震引起拱頂彎矩的增幅最大（33．65％），其次是拱腳（20．27％），而引起底板彎矩的增量最?。?3．84％）。

2.4輸入地震波的影響采用輸入不同的地震波形式對拱形斷面進行一步分析。輸入汶川地震波（E－W向）與運用SIMQKE＿GR軟件生成的人工地震波時的地震加速度時程曲線如圖14、圖15所示，其分析結(jié)果如表6所示。由表3、表4、表6可知：在不同地震波作用下，內(nèi)力和變形的極值大都發(fā)生在波動反應的0．1～0．9s之間，說明此時地震波引起的土體振動頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相近，由此可以初步說明地下拱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自振頻率在1．1～10Hz之間。

3結(jié)論及設(shè)計建議

本文對青島市國內(nèi)首個明挖拱形無柱結(jié)構(gòu)地鐵站進行了地震反應分析，得出以下結(jié)論可供地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計參考：（1）與一般明挖矩形斷面的車站相比，拱形車站受地震反應內(nèi)力較小，結(jié)構(gòu)變形較矩形結(jié)構(gòu)變形小，具有較好的抗震性能；而對拱形結(jié)構(gòu)自身而言，在各部分的連接點上內(nèi)力、主應力以及變形都是很大的（拱腳和墻腳），因此在這些部位要采取加強抗震措施（盡量使結(jié)構(gòu)形狀圓順，以及加厚襯砌、通過改善結(jié)構(gòu)的形狀，或者采用抗震縫、仰拱等構(gòu)造措施來加強結(jié)構(gòu)的抗震性能），同時在這些部位應采用彈性節(jié)點連接，避免采用剛性節(jié)點。（2）對于不同波形，內(nèi)力和變形的極值大部分都發(fā)生在波動反應的0．1～0．9s之間，說明此時地震波引起的土體振動頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相近，由此可以初步說明地下拱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自振頻率在1．1～10Hz之間，這對于今后的地下結(jié)構(gòu)反映譜和地震影響系數(shù)的取值確定有一定的參考意義。

作者：張亞輝宋玉香郭唯偉單位：石家莊鐵道大學土木工程學院