發布時間：2021-11-16所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：以西安地鐵二號線沿線近f6地裂縫處框架結構為原型，基于地裂縫場地50年沉降預測情況，采用ABAQUS有限元軟件建立地裂縫場地和上部結構共同作用模型，在不同年限場地沉降基礎上施加ElCentro波、Tangshan波及上海人工波3種地震波，研究地裂縫場地地表峰值加速度變化
摘要：以西安地鐵二號線沿線近f6地裂縫處框架結構為原型，基于地裂縫場地50年沉降預測情況，采用ABAQUS有限元軟件建立地裂縫場地和上部結構共同作用模型，在不同年限場地沉降基礎上施加ElCentro波、Tangshan波及上海人工波3種地震波，研究地裂縫場地地表峰值加速度變化規律，對比分析地震及不均勻沉降雙重作用下框架結構的層間剪力、層間位移角變化情況。結果表明：下盤場地地表加速度峰值在土體沉降前后隨避讓距離未出現明顯變化，上盤場地地表加速度峰值出現較為明顯的減小;3種地震波作用下沉降前后框架結構的剪力時程曲線基本一致，正負向剪力峰值出現的時刻也近似吻合;上下盤結構層間位移角變化規律相似，均隨避讓距離的增大而減小，距地裂縫越近，結構破壞越嚴重;下盤結構最大層間位移角受不均勻沉降影響較小，最大變化幅度不足14%，上盤結構受影響較大，最大變化幅度超過50%，其中上海人工波作用下變化幅度最大，為73%，Tangshan波次之，為70%，ElCentro波最小，為63%;對于考慮不均勻沉降的地裂縫場地，框架結構抗震設計時應對水平地震影響系數最大值αmax進行調整，以確保結構的抗震安全性。
關鍵詞：地裂縫;框架結構;地震;不均勻沉降;動力響應
0引言
地裂縫作為一種典型的城市地質災害，在世界各國都普遍存在，隨著地下資源開采等人類活動的進行，其影響范圍逐年增加，已成為一個新的獨立災種[1]。中國是地裂縫分布最廣的國家之一，據山西、陜西、河北、山東等多省的不完全統計，目前已累計發現地裂縫超700條。西安、大同、邯鄲、保定、石家莊、天津和淄博等城市均有大量地裂縫存在，其中西安是遭受地裂縫災害最典型、最嚴重的城市之一。西安市區地裂縫主要發現于20世紀中期，目前已探明多達14條，地裂縫總長度超過160km，覆蓋超過250km2的土地，且有超過70km長的地裂縫裸露地面，其影響范圍之大不容忽視[2]。城市地裂縫的存在造成了大量的建筑物破壞、道路變形以及管道破裂，嚴重影響人民群眾的生命安全和城市空間的延伸[3]。地裂縫的產生與發育除了給其影響范圍內的建筑物、地鐵等直接帶來破壞損失以外，更多的損失體現在對土地價值的浪費。以往的地裂縫區域工程建設大多采用避讓方式，而西安地裂縫大多處于市區或近郊，此方式造成的土地價值損失高達323億元[4]。隨著西安城市化進程的高速發展，地裂縫的存在造成城市建設用地緊張，因此有必要考慮地裂縫場地工程建設的可行性。
自20世紀30年代以來，Leonard等[5-6]國外學者針對地裂縫的成因機理進行研究，后集成構造成因、地下水開采成因和綜合成因三大成因觀點。近年來，張家明等[7-9]針對西安地裂縫開展了地裂縫成因及活動規律方面的研究。現有相關研究表明，地裂縫還在不斷發展中，嚴重制約著西安城市建設規劃發展[8]。因此，眾多學者基于地裂縫場地的發育研究與沉降預測，陸續建立了地裂縫場地的建筑物結構模型，以期為地裂縫場地的工程建設提供一定的參考。郭西銳等[10]通過SAP2000有限元軟件，建立了地裂縫場地內廊式橫向框架結構模型，對比分析了該建筑內力變化和結構變形情況，研究了在役結構薄弱位置破壞情況。萬通[11]通過結構設計軟件PKPM，建立了跨越地裂縫建筑物模型，對比分析了不同沉降工況及不同設防措施下建筑物內力變化與結構破壞情況，得出相較于整體傾斜型沉降，直線型沉降對建筑物影響更大的結論。丁寶芬[12]運用SAP2000建立了不同層高、柱網形式的多層框架結構，通過支座位移法研究了地裂不均勻沉降作用下框架結構內力變化與變形規律。許晨等[13]建立隧道-地裂縫-地層-框架結構三維有限元模型，進行建筑物的模態分析和振動響應分析，研究了復雜情況下地裂縫對建筑物豎向與水平地震動的影響。
然而西安又位于中國地震設防高烈度區，地震荷載作用下，地裂縫的存在會對場地地震動響應產生一定影響。熊仲明等[14]采用ABAQUS有限元軟件對跨地裂縫框架結構和普通場地框架結構進行了時程分析，對比了數值計算結果與地裂縫振動臺模型試驗結果，得出了非一致性地震作用下跨越地裂縫結構的動力響應規律。王啟耀等[15]以西安地鐵二號線穿越f6和f6段地裂縫場地為原型開展了1∶15的振動臺模型試驗研究，對比了7種不同峰值加速度的ElCentro波和Taft波激勵的試驗結果與現場實測結果，得出了地裂縫場地表面的響應加速度放大系數隨著激勵峰值加速度的變化規律。劉妮娜等[16]采用振動臺模型試驗模擬地震荷載作用下地裂縫場地的動力響應，得出了地震動荷載作用下地裂縫及地裂縫區域土體變化規律。魏春龍[17]采用ANSYS有限元軟件建立了單條地裂縫場地和“y”型地裂縫場地下的有限元模型，研究了2種地裂縫場地在特定條件下地裂縫兩側的位移、加速度和剪應力的響應規律。
以上研究主要集中在地裂縫對地震動的放大效應研究，且普遍認為地裂縫場地相較于普通場地對地震動有一定的放大作用。隨著研究的深入與交叉學科的興起，人們發現在地震作用下地裂縫場地有著明顯的不均勻沉降，僅考慮地震動的放大作用并不能很好地模擬實際地震發生時地裂縫場地的響應情況。現有針對地裂不均勻沉降及地震作用的研究較為單一，綜合考慮2種因素的場地-結構相互作用研究仍然較少。
考慮到諸如西安等城市不僅處在地裂縫場地，還是地震多發區域，現有研究成果尚不能直接應用于實際工程建設。基于此，本文以某實際框架結構為研究對象，建立靠近f6地裂縫場地上部結構有限元模型，參照f6地裂縫50年沉降預測曲線，模擬在役結構使用年限內的場地沉降，進而在不同年限沉降基礎上施加ElCentro波、Tangshan波及上海人工波3種地震波，分析地震及不均勻沉降雙重作用下的框架結構動力響應情況，對抗震設計水平地震影響系數最大值αmax進行調整，為地裂縫場地及地震設防高烈度區工程建設提供參考。
1工程概況
某框架結構位于西安地鐵二號線沿線近f6地裂縫處，抗震設防烈度為8度，設計分組為第2組，Ⅱ類場地，地表粗糙度類別為B類，基本風壓為0.45kPa。考慮到數值模擬的適用性，將原結構合理簡化，選用平面規則，剛度、質量分布均勻的4×3跨5層框架結構，層高3m，并通過結構計算軟件PKPM進行驗算。框架結構平面布設如圖1所示。結構中的梁、樓板、柱均采用HRB400鋼筋，樓板厚度為120mm，梁、柱截面配筋信息如圖2所示。樓面恒載標準值取為5.0kPa，樓面活荷載標準值取為2.0kPa，屋面恒載標準值取為6.0kPa，活荷載標準值取為0.5kPa。首層與中間層梁上均布線荷載為4.8kPa;屋面梁上均布線荷載為2.4kPa。其余荷載按《建筑結構荷載規范》[18]有關規定確定。
根據西安地鐵二號線工程沿線地裂縫勘察設計報告[19]的有關統計分析，場地土層層序如下：①素填土層(Qml4);②黃土層(Qeol3);③古土壤層(Qel3);④黃土層(Qeol2);⑤古土壤層(Qel2);⑥粉質黏土層和砂土層互層Qal+12。根據地裂縫場地上、下盤的不同設置不同土層間的錯層，對地質情況進行合理簡化，最終確定的土層分布情況如表1所示。
2三維有限元模型
2.1模型建立
數值分析采用ABAQUS有限元軟件[20]，以西安地鐵二號沿線某近地裂縫框架結構為原型，建立場地-上部結構有限元計算模型(圖3)。場地分為地裂縫場地與普通場地，考慮到土體對上部結構的邊界效應及近地裂縫結構避讓距離設置，設計土體尺寸為300m×150m×90m。按土層情況對場地進行分層，分別定義密度、泊松比和彈性模量。地裂縫上、下盤場地不同土層間設置錯層，普通場地的土層與上盤土層設置一致。
土體本構選用ABAQUS自帶的Mohr-Cou-lomb彈塑性本構模型，選用C3D8三維實體單元進行土體建模，模型單元尺寸取為3m×3m[21]。上部結構混凝土為C30混凝土，本構采用彌散開裂模型，以此更好地模擬鋼筋在混凝土開裂后的荷載傳遞作用。型鋼材質均為Q345，泊松比為0.3，彈性模量E=2.06×105MPa，本構采用理想彈塑性模型。綜合考慮單元模擬效果、收斂性及計算周期，梁、柱構件采用B31梁單元模擬，樓板采用S4R殼單元模擬。鋼筋材質為HRB400，本構采用理想彈塑性模型，用rebarlayer命令進行定義，不考慮鋼筋硬化和循環過程的退化。
2.2計算參數
由于結構基礎一般深入土體，且素填土土層較薄，在選取場地模型時主要考慮關鍵土層對結構的影響，剔除地表雜填土層，對土層分布進行小幅度修改。選取5層典型土層為：黃土層1、古土壤層1、黃土層2、古土壤層2及粉質黏土層，其中地裂縫傾角為80°。土層物理力學參數見表2。
2.4基本假定
為保證場地-上部結構有限元模型的準確性，同時使得模型進一步簡化，建立模型時參考文獻[23]～[24]中已驗證過的基本假定：
(1)上盤土體與下盤土體之間的接觸通過設置間隙接觸來模擬，法向設置為硬接觸，切向作用采用罰摩擦公式，摩擦因數取為0.3。
(2)地震作用下框架結構與地裂縫土層間不發生滑移，框架結構與場地之間的連接采用節點耦合處理。
(3)建模時不指定彈塑性應變，認為黏聚力保持不變，即土體為各向同性的理想彈塑性模型。
3場地土的地表加速度時程分析
3.1地表測點布設
場地土的地表加速度時程分析考慮地裂縫場地和普通場地2種，基于規范中所給出的40m避讓距離建議，分別在上、下盤距地裂縫0，6，18，30，42m處布置測點，分析場地地表加速度的變化規律。地裂縫場地地表監測點布設如圖4所示，其中S代表上盤，X代表下盤。
3.2場地不均勻沉降施加
地裂縫活動強度具有一定的差異性，不同地裂縫的影響區范圍和破裂區范圍也具有較明顯的差異，同一條地裂縫的不同地段其影響區范圍和破裂區范圍也是不一致的。本文研究區域沉降曲線結合周洋洋[25]的研究成果進行選取。
根據《建筑結構可靠性設計統一標準》[26]規定，普通建筑物和構筑物的使用年限為50年，故本文選取未來50年的地裂縫場地沉降進行研究。考慮到《西安地裂縫場地勘察與工程設計規程》[27]對地裂縫變形區的避讓做出了規定，認為40m外地裂縫場地沉降速率近乎保持一致，其不均勻沉降的影響基本可以忽略，給出最高避讓距離為40m。本文僅針對40m避讓距離內進行場地沉降分析，40m外假設為均勻沉降，不再另做設置。在建筑物50年使用年限內取10，30，50年的場地沉降預測進行施加以作對比，在不改變場地不均勻沉降變化規律的基礎上對其進行小幅度修正，以便于后續沉降的施加，修正后不同避讓距離下的土體沉降如表3所示。
在不均勻沉降對上部結構影響的研究中，目前最普遍的方法是傳統的支座位移法，但這種方法無法對上部結構與場地進行同步考慮，因而無法應用于本文研究。考慮到地裂縫兩側場地的不均勻沉降主要由場地表面荷載及土體在自重作用下產生的土體壓縮所造成的，因此對場地網格進行進一步的劃分，于上盤地表施加荷載，并根據沉降值對地表荷載大小進行修正，最終使沉降值與預測值相吻合，可模擬在役建筑物由于不均勻沉降產生傾斜后發生地震時的動力響應情況。
3.3地表加速度分析
不同年限下地裂縫場地土體隨避讓距離存在差異沉降，地震波自地裂縫場地土體底部傳至地面時隨之產生差異。表4為ElCentro波(加速度峰值為0.1g)作用下各年限地表加速度峰值變化規律。由表4可知，上、下盤場地地表加速度峰值隨年限表現出不同的規律，上盤場地隨著年限增長各避讓距離下的地表加速度均逐漸減小，而下盤場地各避讓距離下的地表加速度則隨使用年限增長而逐漸增大。上盤場地地表加速度變化幅度隨年限增長表現出逐年增大的規律，其中在0～10年最大變化幅度為-0.71%，10～30年最大變化幅度為-1.70%，30～50年最大變化幅度為-2.31%。下盤場地地表加速度變化幅度受年限增長影響不大，0～10年最大變化幅度為0.15%，10～30年最大變化幅度為0.32%，30～50年最大變化幅度為0.29%。從整體看，下盤場地地表加速度隨年限的變化幅度均小于0.4%，上盤場地地表加速度變化幅度最高超過2%，因此上盤地表加速度受年限增長影響更大，但上、下盤場地均在50年沉降時地表加速度與初始差異最大。
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現重點將場地未沉降的地表加速度和50年沉降作用后的地表加速度進行對比分析，研究3種地震波有無沉降工況下對地表加速度的影響，需指出以下涉及的沉降后地表加速度均為50年沉降作用下的地表加速度。
圖5為3種地震波作用下沉降前后不同避讓距離下地表加速度峰值曲線對比。由圖5可知，沉降前后地表加速度峰值均在地裂縫處最大(S0，X0處位置)，并隨避讓距離的增大逐漸減小。在不同的地震波作用下，上、下盤的加速度放大效應表現出不一樣的變化規律。3種地震波作用下，下盤場地地表加速度在沉降前后變化幅度均較小;在Tangshan波與上海人工波作用下，沉降后的地表加速度有小幅度增大，而在ElCentro波作用下沉降后的地表加速度與沉降前基本一致。上盤地表加速度在沉降后則均表現出較為明顯的減小;Tangshan波作用下沉降后的地表加速度減小幅度最大，ElCentro波次之，上海人工波最小。這是由于土體沉降時產生了一定壓縮，從而加速度有所減小。隨著避讓距離增大，Tangshan波與上海人工波作用下的地表加速度減小幅度均有所下降，而ElCentro波作用下的地表加速度減小幅度則基本保持不變。
由圖5還可知，地表加速度峰值在地裂縫處(S0，X0處)變化最為明顯，因此選擇地裂縫S0，X0處的地表加速度做進一步分析。表5為3種地震波作用下地裂縫處地表加速度峰值對比。
由表5可知：ElCentro波作用下沉降后，上盤最大峰值加速度由2.74m·s-2減小為2.64m·s-2，減小幅度為3.59%，下盤無明顯變化;Tangshan波作用下沉降后，上盤最大峰值加速度由2.95m·s-2減小為2.81m·s-2，減小幅度為4.82%，下盤無明顯變化;上海人工波作用下沉降后，上盤最大峰值加速度由2.72m·s-2減小為2.64m·s-2，減小幅度為2.96%，下盤無明顯變化。可見，3種地震波作用下上盤場地地表加速度表現出較為明顯的減小，其中Tangshan波作用時減幅最大，ElCentro波次之，上海人工波最小，而下盤場地地表加速度無明顯變化。
4上部結構彈塑性時程分析
4.1結構柱剪力分析
在ElCentro波、Tangshan波和上海人工波3種地震波作用下，上部框架結構在有無沉降工況下剪力時程曲線如圖6所示。由圖6可知：ElCentro波作用下，無沉降時，剪力在2.55s達到正向峰值3228kN，在2.3s達到負向峰值2457kN，有沉降時剪力在2.55s達到正向峰值2876kN，在2.3s達到負向峰值2791kN;Tangshan波作用下，場地結構在無沉降時，剪力在14.85s達到正向峰值3437kN，在15.1s達到負向峰值3345kN，有沉降時剪力在14.85s達到正向峰值2711kN，在15.1s達到負向峰值3186kN;上海人工波作用下，場地結構在無沉降時，剪力在8.65s達到正向峰值3356kN，在8.95s達到負向峰值3238kN，有沉降時剪力在8.65s達到正向峰值2459kN，在8.95s達到負向峰值3158kN。
可見，同一地震波作用下2種工況的結構基底剪力加速度時程曲線基本一致，達到峰值時間也接近，但其剪力絕對值峰值在2種工況下存在一定差異。上海人工波與Tangshan波作用下，場地有沉降時正負向剪力峰值較無沉降時均減小;ElCentro波作用下，場地有沉降時正向剪力峰值較無沉降時減小，負向剪力峰值較無沉降時增大。上海人工波與Tangshan波作用下，場地無沉降時剪力絕對值峰值出現在正向，有沉降時剪力絕對值峰值出現在負向;ElCentro波作用下，場地有沉降與無沉降時剪力絕對值峰值均出現在正向。
表6為ElCentro波、Tangshan波和上海人工波3種地震波作用下，上部框架結構在有無沉降工況下框架結構基底剪力對比。由表6可知，3種地震波作用下，下盤結構在場地有無沉降工況下結構基底剪力基本沒有變化，但上盤結構在沉降后基底剪力均出現明顯減小，且減小幅度隨避讓距離增加而減小。剪力峰值減小幅度在不同地震波作用下存在一定差異，其中，Tangshan波作用時剪力峰值減幅最大約為7.30%，在ElCentro波與上海人工波作用下剪力峰值減幅相對較小，分別為4.17%與5.90%。結構最大剪力有所下降是由于施加沉降后地表加速度有所減小造成的，隨避讓距離增大，沉降減小，面荷載隨之減小，進而導致剪力峰值變化幅度減小。
4.2結構層間位移角分析
根據《建筑抗震設計規范》[28]規定，基于所模擬建筑位于8度設防區域，因此分析結構層間位移角時以70cm·s-2峰值加速度來模擬多遇地震進行數值計算。3種地震波有沉降工況下結構層間位移隨層高變化較為均勻，未出現突變，結構層間位移均隨結構高度的增加而增大。由于場地沉降的存在使得結構發生側移，上盤結構層間位移在整個避讓距離內遠大于下盤結構。
圖7為有無沉降場地結構的最大層間位移角隨結構距地裂縫距離的變化。由圖7可知，無論是否考慮建筑物50年使用期內場地發生沉降，下盤結構的層間位移角隨避讓距離變化曲線近乎重合，上盤結構在有沉降的場地上其層間位移角急劇增大，這是由于場地不均勻沉降使其上部結構發生了較大的側移，進而增大了結構的最大層間位移角。ElCentro波作用下，下盤結構其層間位移角最大變化出現在30m處，幅度為1.09%，沉降對下盤結構的影響幾乎可忽略不計;上盤結構其層間位移角最大變化出現在30m處，幅度為63.04%，其他避讓距離下變化幅度也超過50%。Tangshan波作用下，下盤結構層間位移角最大變化出現在30m處，幅度為8.8%，沉降對下盤結構的影響幾乎可忽略不計;上盤結構其層間位移角最大變化出現在42m處，幅度為70.52%，其他避讓距離下變化幅度也超過50%。上海人工波作用下，下盤結構其層間位移角最大變化出現在42m處，幅度為13.20%，沉降對下盤結構的影響較小;上盤結構其層間位移角最大變化出現在42m處，幅度為73.14%，其他避讓距離下變化幅度也超過50%。從結構最大層間位移角整體變化規律來看，3種地震波作用下，無論場地是否產生沉降，上、下盤結構層間位移角變化規律相似，均隨避讓距離的增大而減小，距地裂縫越近，結構破壞越嚴重。——論文作者：黃華，高悅，錢海增，楊坤
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