深圳老街地铁车站结构完全相互作用体系三维地震动力响应分析

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1、深圳老街地铁车站结构完全相互作用体系三维地震动力响应分析摘要：为更深入认识复杂高层建筑相互作用体系的动力响应特性，结合具体工程背景分别采用罚函数算法和无限单元描述界面接触特性和动力边界，并在此基础上建立大规模深圳老街地铁车站上部结构-地下结构-地基完全相互作用体系三维有限元模型，针对场地土层对基岩输入地震动的影响，对地下连续墙动土压力变化规律以及结构动力响应特性进行了分析，对深圳老街地铁车站结构完全相互作用体系抗震性能进行了评价，可为相关工程设计和具体实践提供参考。关键词：地基；时程分析；水平地震力；动力响应；数值分析

2、中图分类号：P315.9文献标识码：A文章编号：1000-0666(2016)04-0680-060引言使用传统设计方法分析高层结构中地震反应时，往往把地下结构与上部结构分开来考虑。上部结构底部简化为刚性固端，再将上部结构底部反力施加于地下结构上进行地下结构抗震设计。一般来说，采用传统抗震设计方法有时会得到比较保守的结果，因为上部结构-地下结构-地基基础体系的相互作用，会增大结构体系的振动周期和阻尼，使考虑相互作用的结构地震作用小于传统抗震设计方法的结果。但是，当建筑物处于复杂地基场地或地下结构刚度较小时，由于完全共同

3、作用体系（地基-地下结构-上部结构）的协同作用行为使体系的振动周期延长，可能使振动卓越频率与地面运动卓越频率接近，从而引起整体结构的惯性力增大，是偏于不安全的，这已被多次地震震害所证实（Chaudharyetal，2001；Makrisetab1996；Saadeghvazirietal，2000；Wolf，Song，2002；Zheng，Takeda,1995）。例如1995年阪神地震中神户3号新干线长高架结构和1985年墨西哥地震中许多结构倒塌破坏的主因就是在设计中未考虑地基相互作用效应的影响。随着高层建筑的高耸化

4、与结构型式复杂化，传统理论计算并辅以概念设计的抗震设计方法越来越不能适应具体复杂型式高层建筑结构工程设计的需要，从完全共同作用分析方法角度考虑地基-地下结构-上部结构的相互作用效应，深入分析复杂高层建筑结构非线性动力性态和抗震性能，并在此基础上建立有效的数值模拟技术和实用分析方法显得尤为迫切和重要。这对于完善与发展高层建筑抗震设计理论，对于工程实践和安全性评价具有较大的参考价值和指导意义（戴启权等，2015；蒋玉敏等，2016；周凯等，2015；朱秀云等，2016）。随着近年来计算理论和硬件技术的发展进步，使得进行考虑

5、复杂场地-结构完全相互作用研究成为可能。本文结合具体工程背景，通过建立大型三维上部结构-地下结构-地基完全相互作用体系动力有限元数值模型，分别采用罚函数算法和无限单元描述界面接触特性(Hibbittetal,2013)和动力边界(李录贤等，2007；谢洪阳等，2007)，并在此基础上，针对水平地震力作用下上部结构-地下结构-地基完全相互作用动力响应进行分析，可为工程设计和具体实践提供参考。1工程概况与数值模型实际工程三维结构数值模型如图1所示，为19层复杂高层建筑结构，地下4层，地上15层。主体高度58.8m;抗震设防

6、类别和等级为乙类一级，设防烈度VII度，设计分组为第1组，地震加速度O.lg。结构平面和空间布局分布不对称，且裙楼和塔楼之间存在高位转换层，转换层高度为28.9m，转换层以下共6层，转换层以上共9层；转换层以下的1〜4层存在越层、空洞结构，且竖向构件不连续。地基部分选取若干典型钻孔土层截面进行均一化处理，将剪切波速大于500m/s作为基岩深度判别原则，取场地计算域深度25m。为进一步避免动力边界效应，具体数值计算中土体边界采用逸散无限元边界单元CIN3D8,场地土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，具体采用三维

7、8节点减缩积分单元C3D8R，各土层有限元数值计算参数见表1所列。其中，无限单元设置剖分因ABAQUS平台不支持CAE环境下自动设置操作，仅能基于外挂命令流程序编辑器“KeywordsEditor”，通过编写命令流程序行得以实现，具体涉及到的命令流关键格式为“*NODE，NSET=NINF结点编号n，n结点x坐标，n结点y坐标，n结点z坐标（节点循环）”和“*ELEMENT，TYPE=CINPE8,ELSET=ELINF单元编号n，单元n结点号a，单元n结点号b，，单元n结点号h（单元循环）”。对于接触面单元，则通过C

8、AE环境下，将结构面和地基土面分别设置成“MasterSurface”和“SlaveSurface”，进而建立ContactPair接触对，接触对允许法向硬接触、脱空和切向摩擦错动行为，ABAQUS程序平台中具体采用了罚接触算法进行非连续求解迭代。基于ABAQUS大型有限元数值平台建立其三维上部结构-地下结构-场地地基有限元数值模