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      單相土體與飽和土體地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比研究

      2022-04-07 06:42:56王相寶
      四川水泥 2022年3期
      關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)單元單相土體

      王相寶 趙 凡

      (中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250000)

      0 引言

      隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,交通堵塞是困擾城市發(fā)展的主要問題之一。因此加快對城市地下空間的開發(fā)與利用,修建地下交通工程,對于城市的發(fā)展具有十分重大的經(jīng)濟和社會意義。城市內(nèi)的地鐵工程,沿海和沿江城市的跨海、越江水底隧道工程,大大提高了通行效率,縮短了通勤時間。上述結(jié)構(gòu)分別屬于單相土體場地、飽和土體場地的地下結(jié)構(gòu)。

      我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震之間,地震活動頻度高、分布廣,而且全國半數(shù)以上的城市位于7度(0.1g)或以上的地震區(qū),因此,對地下結(jié)構(gòu)的抗震問題研究則具有非常重要的意義。本文將基于ABAQUS有限元軟件分析平臺,開展飽和土體場地與單相土體場地中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對比研究。

      1 計算模型

      基于ABAQUS有限元軟件平臺,對單相土體-地下結(jié)構(gòu)、飽和土體-地下結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)進行模擬計算。算例為:水平向100m,高30m,結(jié)構(gòu)水平向16m,高6m,結(jié)構(gòu)內(nèi)有一根截面寬0.4m的柱子,截面如圖2所示,結(jié)構(gòu)埋深6m,左右土體寬度均為42m,結(jié)構(gòu)頂板厚0.8m,底板厚0.85m,左右墻厚0.7m。土體及結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

      表1 場地土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

      飽和土體網(wǎng)格尺寸大部分為21m,結(jié)構(gòu)周圍區(qū)域的土體進行了網(wǎng)格加密,如圖1所示;結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸大部分為0.3×0.2m,局部區(qū)域進行了網(wǎng)格加密,如圖2所示。并選取結(jié)構(gòu)中的單元A、B為研究對象。

      圖1 場地土體有限元計算模型

      圖2 地下結(jié)構(gòu)有限元計算模型

      本算例選用天津波作為入射地震波進行地震反應(yīng)的數(shù)值模擬,該地震波為天津?qū)幒拥卣鹉媳狈较蚍至康牡卣鹩涗?,其震級M=6.9,持時為19.2s,采樣點的時間間隔為0.01s,其加速度時程如圖3所示。本算例通過ABAQUS CAE建立數(shù)值分析模型,邊界采用的是應(yīng)力型局部人工邊界,即將輸入地震轉(zhuǎn)化為作用于黏彈性人工邊界結(jié)點上的等效荷載的方法來實現(xiàn)地震動輸入。

      圖3 輸入地震加速度時程

      2 單相土體場地與飽和土體場地中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比

      地震反應(yīng)最后時刻單相土體與飽和土體中地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示,單元A在單相土體、飽和土體的應(yīng)力時程曲線如圖5所示,單元B在單相土體、飽和土體的應(yīng)力時程曲線如圖6所示。

      圖4 地震反應(yīng)最后時刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

      由圖4可知,地震輸入最后時刻,單相土體中結(jié)構(gòu)與飽和土體中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖呈對稱分布,且均在結(jié)構(gòu)底角區(qū)域、混凝土柱頂部兩側(cè)區(qū)域、頂板中部外側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中;與單相土體中的結(jié)構(gòu)相比,飽和土體中結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力值較大,應(yīng)力集中區(qū)域較多,區(qū)域面積較大,并且在混凝土柱區(qū)域也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。

      飽和土體中結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力幅值整體大于單相土體中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅值。由圖5可知,單相土體中結(jié)構(gòu)單元A的應(yīng)力最大值為4.0MPa,飽和土體中結(jié)構(gòu)單元A的應(yīng)力最大值為4.3MPa;由圖6可知,單相土體中結(jié)構(gòu)單元A的應(yīng)力最大值為6.5MPa,飽和土體中結(jié)構(gòu)單元B的應(yīng)力最大值為6.7MPa。

      圖5 單元A的應(yīng)力時程曲線

      圖6 單元B的應(yīng)力時程曲線

      3 結(jié)束語

      本文在ABAQUS有限元計算軟件平臺上,開展了單相土體地下結(jié)構(gòu)、飽和土體地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對比研究,飽和土體基于二維流固耦合兩相介質(zhì)動力模型孔壓單元進行模擬,地震波輸入通過設(shè)置黏彈性人工邊界,等效結(jié)點荷載來實現(xiàn)。在研究中發(fā)現(xiàn):

      (1)在地震反應(yīng)最后時刻,單相土體中結(jié)構(gòu)與飽和土體中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖呈對稱分布,且均在結(jié)構(gòu)底角區(qū)域、混凝土柱頂部兩側(cè)區(qū)域、頂板中部外側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中;

      (2)與單相土體中的結(jié)構(gòu)相比,飽和土體中結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力值較大,應(yīng)力集中區(qū)域較多,區(qū)域面積較大。

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