地下连续墙对无柱大跨地铁车站地震反应影响.pdf
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1、第4 0 卷第4 期2023年8 月文章编号:1 0 0 5-0 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 1 6-0 8地下连续墙对无柱大跨地铁车站地震反应影响华东交通大学学报Journal of East China Jiaotong UniversityVol.40 No.4Aug.,2023许紫刚1,2,李淳宇1,2,夏宗尧1,2(1.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室,江西南昌3 3 0 0 1 32.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西南昌3 3 0 0 1 3)摘要:无柱大跨地铁车站抗震设计是否考虑地下连续墙的影响尚未有统一定论。基
2、于ABAQUS有限元数值分析软件,建立了土-结构静动力耦合有限元模型,分析了水平竖向双向地震作用下,地下连续墙对无柱大跨地铁车站结构动力反应的影响。数值分析表明:地下连续墙会增大无柱大跨地铁车站体系的水平抗侧刚度,考虑地下连续墙时车站侧墙的总体水平相对变形降低;但地下连续墙的存在会放大无柱大跨地铁车站上覆土体的竖向惯性效应,同时也会使得无柱大跨地铁车站内力重分布。考虑地下连续墙时车站底板端部是抗震薄弱环节,抗震设计中应对其进行适当加强。关键词:地铁车站;大跨度;无柱;地下连续墙;地震反应中图分类号:U216本文引用格式:许紫刚,李淳宇,夏宗尧.地下连续墙对无柱大跨地铁车站地震反应影响 .华东交
3、通大学学报,2 0 2 3,4 0(4):16-23.文献标志码:AInfluence of Diaphragm Wall on Seismic Response of Column-FreeLarge-Span Subway StationXu Zigangl-2,Li Chunyul-2,Xia Zongyaol.(1.Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety Control in Geotechnical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang330013,China;2
4、.State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure,East China JiaotongUniversity,Nanchang 330013,China)Abstract:Whether the diaphragm wall should be considered in the seismic design of the column-free large-spansubway station has not been uniformly determin
5、ed.Based on the finite element numerical analysis softwareABAQUS,the soil-structure static and dynamic coupling finite element models are established to analyze the in-fluence of diaphragm wall on the seismic response of column-free large-span subway station under horizontaland vertical earthquake l
6、oad.The results show that the diaphragm wall can improve the lateral stiffness of thecolumn-free large-span subway station system,and the horizontal relative deformation of the side wall is reducedwhen the diaphragm wall is considered.However,the existence of diaphragm wall will magnify the vertical
7、 iner-tia effect of the overlying soil of the subway station,and also make the internal force of the subway station redis-tribute.When the diaphragm wall is considered,the end of the bottom slab is a weak seismic link,which shouldbe properly strengthened in the seismic design.收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 8基金项
8、目:国家自然科学基金青年项目(5 2 1 0 8 4 5 3);江西省自然科学基金青年项目(2 0 2 1 2 BAB214014);江西省教育厅科学技术研究项目(GJ200636);江西省交通运输厅科技项目(2 0 2 1 Z0004)第4 期Key words:subway station;large-span;column-free;diaphragm wall;seismic responseCitation format:XU Z G,LI C Y,XIA Z Y.Influence of diaphragm wall on seismic response of column-fr
9、eelarge-span subway stationJ.Journal of East China Jiaotong University,2023,40(4):16-23.许紫刚,等:地下连续墙对无柱大跨地铁车站地震反应影响17地下结构历史震害表明,地铁车站、隧道等地下结构在地震作用下存在破坏的可能,甚至完全塌毁,例如1 9 9 5 年日本阪神地震中大开地铁车站的倒塌破坏。过去针对地下结构抗震性能开展的数值分析和试验研究主要集中在单层或双层的单柱双跨或双柱三跨的地下结构 2 ,主要发现地下结构本身受到的惯性效应不是地震作用下地下结构受到的主要地震荷载,结构两侧场地土体的水平剪切变形和结构上
10、覆土体的竖向惯性效应是影响地下结构抗震安全的重要因素 3 。同时认为,中柱是地铁地下车站结构抗震薄弱环节4。为了满足车站建筑使用功能,在保证安全的前提下,地铁工程建设领域开始探索取消中柱的设置,提出无柱大跨地铁车站结构体系。无柱大跨地铁车站空间布局更灵活,且车站通透性更好,有利于客流通行。目前,有学者对无柱大跨地铁车站的抗震性能进行研究,讨论了无柱地铁车站的基本抗震性能及其抗震薄弱部位 5-6 。然而在目前关于无柱大跨地铁车站抗震性能的研究中,通常没有考虑地下连续墙的影响,简单认为地下连续墙是车站结构抗震设计的安全储备 7 。王雪剑等 8 通过数值分析探讨了地下连续墙对某一双层三跨地铁车站抗震
11、性能的影响。考虑到无柱大跨地铁车站与传统车站在地震反应和抗震薄弱环节等方面的差异,有必要探讨地下连续墙对无柱大跨地铁车站抗震性能的影响。综上所述,本文以实际无柱大跨地铁车站为背景,分别建立了土-无柱大跨地铁车站体系和土-地下连续墙-无柱大跨地铁车站体系的整体动力时程分析有限元模型,系统研究了不同等级水平和竖向双向地震作用下,地下连续墙对地铁车站加速度、水平变形和地震损伤的影响。研究结果可为无柱大跨地铁车站结构抗震设计提供指导。1有限元计算模型1.1楼模型概况本研究选取某无柱大跨地铁车站作为研究对象,车站总宽度2 0.7 m,总高度1 4 m。车站顶板厚1.1m,侧墙厚1.0 m,底板厚0.9
12、m,中板厚0.7 m。顶板与侧墙连接处设有大腋角加腋处理。车站主体结构尺寸及配筋如图1 所示,配筋单位为mm。车站左右两侧设有0.8 m厚,3 0 m高的地连墙。车站顶板埋深为5 m,地表至基岩位置总厚度为8 0 m。F32281.0m0.7m个280.9m20.7 m图1 车站主体结构尺寸及配筋Fig.1 Size and reinforcement of the main station1.2材料参数及地震动参数土-车站结构整体动力分析有限元模型如图2所示,同时,取车站结构两侧不设置地下连续墙的工况作为对照模型。模型场地总宽度1 5 0 m,大于车站结构宽度的7 倍。场地土层一共分为9 层
13、,土体的本构模型采用庄海洋等9 提出的黏塑性本构模型,土体主要模型参数如表1 所示。在本数值模型中,车站结构混凝土型号取为C50地下连续墙混凝土型号取为C30,两者内部的钢筋型号均选为HRB400。混凝土通过建立平面应变单元进行模拟,并采用ABAQUS中的塑性损伤模型(CDP),该模型通过引入受拉损伤因子和受压损伤因子来描述受拉和受压后混凝土的刚度变化I。C 5 0 和C30型号混凝土的弹性模量分别取3 4.5 GPa和3 0 GPa,峰值抗压强度分别取3 2.4 MPa和2 0.1 MPa,峰值抗拉强度分别取2.67MPa和2.0 3 MPa。钢筋通过建立桁架单元进行模拟,并采用理想弹塑性本
14、构模型,初始弹性模量取2 0 0 GPa,泊松比取0.3,屈服应力为3 3 5 MPa。1.1mF322832三18Soil123456789此外,土体也采用平面应变单元进行模拟。钢筋通过嵌入的方式置于车站主体或地下连续墙中,数值计算过程中不考虑钢筋和热混凝土之间的滑移。土体和车站结构以及地下连续墙之间需要设置接触,其中法向接触均采用ABAQUS中的“硬”接触,允许两者之间产生分离;切向接触采用ABAQUS中的罚函数模拟,设置摩擦系数为0.4。此外,对于设有地下连续墙的有限元模型,本模型将其考虑为叠合墙式结构,即车站结构侧墙与地下连续墙之间协同运动,不产生相对位移,两者之间设置绑定连接 8。在
15、图2 所示的有限元模型中,地震动输人采用振动输入方法,场地顶部自由、底部固定、左右两侧施加粘弹性人工边界条件,并考虑自华东交通大学学报表1 土层参数Tab.1 Soil parametersShear waveThickness/mDensity/(kg/m)3184061 900620508194072090102120111890142.050151 9302023年InternalPoissons ratioCohesion/kPavelocity/(m/s)140152.7167.1158.5172.7205.8236.3263.2491.6由场效应 2 。本文选取文献 8,1 3 中
16、列举的2 条加速度时程曲线,即ELCentro地震动和Kobe地震动作为输人地震动,同时考虑场地地震安评情况,共选取3条地震动,其加速度时程记录如图3 所示,输入的地震动持续时间均截取为4 0。为考虑不同强度地震动的影响,分别将3 条地震动加速度记录的峰值调整为0.0 5 g,0.1g,0.2g,0.4g,g 为重力加速度。同时考虑水平和竖向双向地震作用,竖向地震动加速峰值简单考虑为水平向地震动加速度峰值的2/3。本研究开展的有限元分析主要包括两个分析步,首先是采用静力分析步,对模型施加重力荷载;其次是采用动力隐式分析步,对模型施加水平和竖向的双向地震荷载。friction angle/()0
17、.4913.50.4915.40.497.00.4918.80.495.00.495.00.4912.30.496.20.4921.0Station162630162830283021Soil1980m150mDiaphragm wallThickness 0.8 mDepth 30 m图2 有限元分析模型Fig.21Finite element analysis model第4 期0.150.100.050-0.05-0.10-0.1500.150.100.0500.05-0.10-0.1500.150.100.0500.050.10-0.150(c)Safety assessment ea
18、rthquake图3 输入地震动加速度时程Fig.3 Acceleration time-history of input earthquake3.53.02.5aWith diaphragm wall2.01.51.00.50(a)Horizontal acceleration under EL Centro earthquake许紫刚,等:地下连续墙对无柱大跨地铁车站地震反应影响计算结果分析2.1车站结构中心加速度无柱大跨地铁车站结构两侧的地下连续墙埋深一般较深,双向地震作用下,场地-地下连续墙-车站结构之间是一个复杂的相互作用体系。图4 分别给出了不同地震动幅值情况下,结构中心位置处的水
19、平和竖向加速度反应的峰值,同时与自由场工1020Time/s(a)EL Centro earthquake10(b)Kobe earthquake10Time/sAFreefieldWithout diaphragmwall0.05g0.10gEL Centro earthquake192计30402030Time/s120300.20g0.40g况下结构中心位置对应土体节点的加速度反应进行对比。由图4 可知,车站中心位置的加速度比对应位置处自由场的加速度反应都略大,而当考虑地下连续墙时,车站中心位置的加速度比不考虑地下连续墙时要小。此时,地下连续墙可以起到减轻结构水平惯性力的作用,然而,地下
20、结构水平惯性力并不是其所受的主要地震荷载。当考虑地下连续墙时,车站中心处的竖向加速度比不考虑地下连续墙和自由场都要大。对于峰值0.4 g的ELCentro地震动而言,有地40连墙时的竖向加速度是无地连墙时的1.3 倍。由此可知,当考虑地连墙时,结构上覆土体的竖向惯性力也会呈现增大的趋势,而根据杜修力等3 的研究结果,浅埋地下结构上覆土体竖向惯性力是影响结构抗震性能的重要影响因素。2.2车站结构水平变形车站结构的水平变形是评价其抗震安全性能的重要指标之一。图5 给出了有无地下连续墙时地铁车站顶底板相对位移最大时刻所对应的结构水40位位移沿结构高度的变化曲线。当不考虑地下连续墙时,侧墙的水平相对变
21、形基本呈现S形,这与王雪剑等的研究结论一致。当考虑地下连续墙时,由于本研究在车站侧墙和地下连续墙之间设置了绑定约束,地震作用下,地下连续墙和侧墙同步运动3.5Freefield3.0Without diaphragmwall2.5aWith diaphragm wall2.00.50(b)Horizontal acceleration under Kobe earthquake0.05g0.10gKobe earthquake0.20g0.40g203.53.02.52.01.51.00.50(c)Horizontal acceleration under safety assessment
22、earthquake5VaFreefield4Without diaphragm wallWith diaphragm wall32华东交通大学学报5Free fieldFreefieldWithout diaphragm wall4aWith diaphragm wallWith diaphragm wall320.05g00.10g0.20gSafety assesment earthquake2023年Without diaphragm wall0.40g0.05gEL Centro earthquake(d)Vertical acceleration under EL Centro e
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