地下结构振动有限元分析

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1、地下结构振动有限元分析

2、第1近几十年来，随着我国国民经济的发展和城市人口的逐渐增加，环境污染也日益严重，我国的地面结构已远不能满足交通和商业的需要，为了减少地面交通量和减弱能源危机带来的影响，地下建筑得到了快速发展，因此对地下结构的抗震研究问题具有重要的实际意义。1.地震波的选取及加速度峰值的调整本文以长春市修建地铁为例，从地震动的单双向激励与地下结构的埋深2个方面分析地震发生时地下结构的动力响应。由于长春地区没有发生过强度较大的地震记录，因此在进行地震反应分析时要参考其它地区的地震资料。根据所选地震动的频谱特征应与建设地点场地土的动

3、力特征相一致的原则，本文选取地震反应分析时常用的美国EL-centro波、TAFT波和人工波记录等3种典型的地震波曲线为输入地震波。为节省机时，对每条地震波只截取包含其峰值在内的10s历程，时间间隔取0.02s，即每条地震波选500个加速度记录作为输入地震波加速度记录。由于受条件限制，本算例只对输入地震波加速度的峰值进行调整，以保证输入的地震波在地表引起的加速度峰值与长春地区抗震规范中的规定值O.lg相当，而对输入地震波的频谱特征未做改变，加速度峰值按(1)式调整:α'(t)=α'max/αmax*α(t)（1）式中:α'(t)---

4、-调整后地震加速度曲线;a:'max----调整后地震加速度峰值，根据抗震规范取值;a(t)----原记录的地震加速度曲线;amax----原记录的地震加速度峰值。2工况的选取本算例工况的选取分别采用水平(X向)、垂直(Z向)和水平垂直双向地震波输入，垂直地震动的加速度取水平加速度的2/3，并分2种埋深(自然地表以下2m和8m)进行分析，见表1，表2.3模型的建立及边界的处理为了便于分析，本文地铁的断面取最常用的矩形断面，在分析时只对地铁的横断面进行分析，这样就可以把空间三维问题简化为二维平面应变问题来处理，因此进行有限元分析时可用A

5、NSYS中的二维实体单元PLANE42对土体和地下结构进行离散，土体和地下结构的ANSYA模型见图1。边界的确定根据经验算法，宽度取结构宽度的9倍，以结构物为中心，两侧各延4倍结构宽度作为侧向人工边界，计算深度取自然地表以下4Om，即假定基岩埋深4Om，地震波由此高程输入。当考虑水平地震作用时，约束两侧边界节点的竖向位移，假定地震动是由基岩垂直向上传播的剪切波;当考虑竖向地震作用时，约束两侧边界节点的水平位移，假定地震动是由基岩垂直向上传播的压缩波;当考虑水平和坚向地震动耦合作用时，放松两侧边界节点的位移约束，则在基岩处同时输入垂直向

6、上传播的剪切波和压缩波，垂直地震动的加速度取水平加速度的2/3。4本算例的基本条件本算例土层参数采用长春市南湖大路以北亚泰大街以东的地质资料，其典型断面土层参数见表3。地下结构为钢筋1昆凝土结构，钢筋混凝土密度为2400kg/m3，弹性模量3.0X104kPa，泊松比取0.17，阻尼系数取0.05，她下结构侧壁及顶底板厚均为400mm。5动力分析本文主要观察地下结构.壁土压力及侧壁相对位移。5.1应力响应从分析中得出双向激励所产生的动力压力要大于任一单项激励所产生的压力，地下结构则壁的坚向应力最大值出现在顶部，是因为垂直荷载的作用便结

7、构产生侧向变形导致结构内部产生附加内力所致。从图2、固3可以得出:水平单向激励时浅埋情况下所产生的侧壁土压力值要小于深埋情况;双向激励时深埋情况下所产生的侧壁土压力要小于浅埋时的值。考虑原因主要是由于浅埋时土体的约束作用小，而坚向地震波的输入会使结构产生扭转和变形，使结构的运动幅度加大，导致结构与土体的相互作用加强，产生扭转和错动作用的叠加所致。5.2位移响应从图4、图6可以得出:在单向激励情况下，无论何种工况地下结构侧壁各点的相对位移最大值均出现在结构的上部，且浅埋情况下各点的相对位移要大于深埋情况的值;从图5、图7可以得出:在双向

8、激励情况下，侧壁各点的相对位移要小于单向激励的值。这说明竖向激励的参与加快了土体的沉陷，加大了土体的密实度，进而增加了对结构的约束作用，限制了各点的相对运动。5.3加速度反应从土体和地下结构的加速度反应可以得出:土体和地下结构的加速度都是由低到高逐渐增大，而在距自然地表同一深度处，土体中的加速度要大于结构上的加速度。结构顶板的加速度响应比底板大，可达到底板的2-3倍，浅埋情况下加速度响应普遍比深埋情况下大。顶板和侧壁上方的放大作用较强，振动比较激烈。因此，地震时地下结构振动反应最激烈的部位是结构顶板及两侧壁上方，容易受破坏。6结语由本

9、文的有限元分析我们可得出如下结论:(1)地震发生时，地下结构侧壁的水平向动力压力呈开口向右的抛物线形状分布，且深埋时的压力值小于浅埋时的压力值，最大值发生在顶部，当单独水平向激励时，侧壁顶部水平位移最大，当有垂直激励参与