全埋式地下结构的地震作用整体计算分析

摘 要 常规的结构抗震设计中，把建筑物的地下部分视作不受地震力或地震力很小而无须进行地震作用计算，仅按照规范以一定的抗震等级来采取构造措施；又或者简单地把地下结构视作多层地上结构，采用传统方法来计算其地层作用效应。

关键词 全埋式 地震作用 计算分析

中图分类号：TU311 文献标识码：A

实际上，地下结构（尤其是全埋式地下结构）的地震作用分析，存在其固有的且不可忽略的特点――与上部结构相比，地下结构的抗震计算还应考虑周围土体的动土压力。随着对地下结构在地震作用下响应特征的进一步研究，一些新的概念和一些更加符合地下结构动力响应实际的设计计算理论和方法也得以提出。地层中地下结构存在的范围内，不同位置之间会产生相对位移，该相对位移迫使地下结构产生变形，这种层间相对位移达到一定程度就会引起地下结构的破坏。因此这种地震作用引起的相对位移，在设计计算中有必要加以考虑――首先计算出周围土体的变形，将变形量作为强制变形施加于结构上，计算出结构的效应。

本工程属于全埋式地下结构，这类地下结构在地震作用下的计算分析，其分析方法基本上分为三种：等效静力法、反应位移法、有限元整体动力计算法。本工程采用有限元整体动力计算法对结构进行了整体动力分析，主要做了以下工作：根据结构动力学的基本理论，以上体―地下结构体系作为研究对象，建立合理的力学模型。

对全埋式地下结构进行动力模态分析，采用土・结结构体系地震反应的时程分析方法对本工程的主体结构进行动力响应分析。考虑地震波的相位差，对大断面的地下空间结构进行多点地震输入，分析其地震反通过以上计算分析，总结本结构典型断面的地震作用效应的基本规律，提出一些抗震设计的建议，并将研究结果应用到广州市珠江新城核心区市政交通项目实际情况中，指出具体设计采用的抗震措施。

1ABAQUS的计算模型

设计中采用大型非线性有限元程序ABAQUS对本工程的典型断面进行了地震作用时程分析。计算模型建模宽度为500m，深60m。主体结构为三层：l层跨度为117.6m，层高6.2m；2层跨度为100.8m，层高4.8m；3层跨度为16.4m，层高7.2m。梁、柱截面简化为1m×lm，结构与土体之间为1m厚的侧墙。

2材料

梁、柱、墙采用C35混凝土，并考虑构件的配筋将材料的弹性模量取为4.2×104N/mm2、泊松比为0.2。-60m到-18.2m标高处地土层为微风化细砂岩弹性模量为1.0×l04N/mm2、泊松比为0.2～18.2m到地面的土层为强风化粉砂岩，采用Drucker-Praper弹塑材料，弹性模量为0.57×l04N/mm2、泊松比为0.25，摩擦角为35度、膨胀角为0，屈服应力为2.65N/mm2。

梁、柱、墙及周边土体计算精度要求较高，采用二维实体CPS4R单元（A4-nodebilinearplanestressquadrilateral，reducedintegration，hourglasscontrol），远离结构的土体采用二维实体CPS3单元（A3-nodelinearplanestresstriangle）。

3分析步

计算过程分成三个阶段：

Step1：加入初始地应力，开挖土体，采用隐式求解器分析。

Step2：建立地下空间结构，加入梁、柱、墙，采用隐式求解器分析。

Step3：加入地震加速度波，进行地展时程分析，分析时间步长为0.02秒，历时40.94秒，水平地震波与竖直地震波共同作用，但存在一定的相差，竖宣地震比水平地震延时5秒左右。采用显式求解器分析。

4主要结论

地下结构在地震作用厂构件内力随时间变化出现明显的重分布。地震加速度峰值的大小对结构构件的内力变化有明显影响。柱的轴向应力一般都出现15%～30%的增幅，中柱出现反复的波动，持续时间较长，而边柱轴向应力只出现厂单峰值，持续时间较短，中柱的水平向正应力有20%～25%的增幅，而边校的增幅只有10%左右。中校与边柱的剪应力都出初始状态时。左有增加到100kN/m2左右。由此可见，中柱在地震作用下轴向应力增幅较大，轴压比明显增大，在水平正应力及剪应力的作用下中柱较边柱更易发生破坏。

侧墙竖直方向的最大正应力比地震前增大了30%，水平方向正应力及剪应力也有所增加。

因为两端住位在地震过程中发生较大的相对位移，所以梁的轴向应力会发生较大的变化，时而处于受压状态、时而处于受拉状态，边梁的反应尤其明显。这也是地震动力反应的无规律性的体现。剪应力及竖直方向的正应力则有1倍的增加。所以抗震设计要考虑到提高边梁拉弯承载能力。

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