带地下室结构与地下结构地震响应相互的影响分析毕业论文

2020-02-13 15:51:00

摘要

随着社会的高速发展,城市空间的使用日益受到人们的关注,近年来,城市的发展也逐步转入对地下空间的开发利用的方向。受限于有限的城市地下空间,实际工程中涉及到城市地下管网和地下结构近距离穿越地表结构的实例越来越多,地下结构经常与邻近的地表建筑物基础发生相对性的穿越,在城市建设与发展过程中,地表结构与地下结构必将发生复杂的相互作用效应。各类地下结构的存在破坏了土体的整体性，特别是带地下室的地表结构。地下室的底板在高度上与地下结构的顶板持平或更低，在地震时地下结构-土体-地表结构构成了一个复杂的相互作用体系，因此极有必要考察地震时二者的相互影响规律。

本文构建带地下室的地上结构-土体-地下结构模型，进行整体性二维计算分析，综合考虑地下室层数及尺寸、土层参数、地表结构与地下车站的相对位置、地震波特性因素，探讨地震响应相互影响规律，为工程结构的抗震设计提供参考。基于对本文计算数据的对比和分析，可得如下相互影响规律：

带地下室的地表结构对土体的影响：

①地下室深度和宽度增加，能够增大周围土体的地震响应；

②地下室对土体的影响范围与地下室尺寸有关。

（2）带地下室地地表结构对地下结构的影响

①地下室能够增大地下结构的地震响应；

②地下室尺寸越大，地下结构的地震响应越大，其中深度是硬土工况下的主要影响因素，宽度是软土工况下的主要影响因素

（3）地下结构对地表结构的影响：

①地下结构对地表结构的响应有放大作用，输入EL波和Kobe波时都能够放大地表结构的响应；

②地下结构在硬土场地中对地表结构的影响显著大于软土场地。

（4）地下结构对土体的影响：

地下结构会整体放大周围土体的地震响应。

（5）地表结构-地下结构横向净距的影响：

净距在一倍地表建筑宽度范围内时，地表结构和地下结构的地震响应随净距的增大而减少。超过一倍地表建筑物宽度范围时，结构地震响应程度与净距关系不大。

（6）土体对结构的影响

①土体类型对地下结构的地震响应会造成较大的影响；

②地表以下的结构在软中的响应较大，地表以上的结构在硬土中的响应较大。

关键词：地表结构；地下结构；地下室；相互作用；地震响应

Abstract

With the rapid development of society, the use of urban space is increasingly concerned by people. In recent years, China gradually attaches importance to the development and the utilization of underground space. Because of the number of underground lines ,and the restriction of underground space resources, more and more underground structure often goes across from the bottom of foundation or from the ground structure closely, which will cause the complex interaction effect. The existence of various underground structures destroys the integrity of soil, especially the surface structure with underground stories. The basement floor is equal to or lower than the roof of the underground structure at high altitude. The underground structure-soil-surface structure constitutes a complex interaction system during the earthquake. Therefore, it is necessary to research the law of interaction between them under the earthquake`s effect.

This paper use the way of building the ground structure-soil-underground structure models, and two-dimensional modeling calculation methods. Considering the basement size, soil parameters, the ground structure and the relative position of the underground station, seismic wave characteristics. Meanwhile, this paper will analysis the effects of several factors on seismic responses of the whole system, discuss seismic response influences, so as to provide the reference for the seismic design of engineering structure , reinforcement and reconstruction. Based on the comparison and analysis of the calculated data in this paper, the following interaction rules can be obtained:

(1) The influence of the surface structure with a basement on the soil:

① The depth and width of the basement increase, which can increase the seismic response of the surrounding soil;

② The influence of the basement on the soil is related to the size of the basement.

(2) Influence of surface structure with basement on underground structure

① The basement can increase the seismic response of the underground structure;

② The larger the size of the basement, the greater the seismic response of the underground structure. The depth is the main influencing factor under hard soil conditions, and the width is the main influencing factor under soft soil conditions.

(3) Impact of underground structure on surface structure:

① The underground structure has a magnified response to the surface structure, and both the EL wave and the Kobe wave can amplify the response of the surface structure;

② The influence of the underground structure on the surface structure in the hard soil site is significantly greater than that in the soft soil site.

(4) Influence of underground structure on soil:

The underground structure will amplify the seismic response of the surrounding soil as a whole.

(5) Surface structure - the effect of the lateral clearance of the underground structure:

When the net distance is within the width of the surface of the building, the seismic response of the surface structure and the underground structure decreases as the clearance increases. When the width of the surface of the building is more than doubled, the degree of seismic response of the structure has little to do with the clearance.

(6) Influence of soil on structure

① The soil type will have a greater impact on the seismic response of the underground structure;

② The structure below the surface has a large response in soft, and the structure above the surface has a large response in hard soil.

Keywords: Ground structures; underground structure; underground stories; interaction system; seismic response

摘要 I

Abstract III

第一章绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究内容 3

1.4 主要研究方案 3

第二章计算模型 5

2.1 本构模型及参数 5

2.2 计算范围 8

2.3 单元类型及网格划分 9

2.4 边界条件 9

2.5 阻尼设置 10

2.6 地震动输入和动力时步设置 11

2.8 测点设置 12

第三章计算结果分析 15

3.1 模态分析 15

3.2 动力响应分析 16

3.2.1地下室的影响分析 16

3.2.1.1不同地下室结构对场地土的影响 16

3.2.1.2不同地下室结构对地铁车站的影响 18

3.2.1.3小结 19

3.2.2地铁车站的影响分析 19

3.2.2.1地铁车站对地表结构的影响 20

3.2.2.2地铁车站对土体的影响 21

3.2.2.3 小结 23

3.2.3地表结构—地铁车站横向净距的影响分析 23

3.2.3.1结构横向净距对地铁车站的影响 23

3.2.3.2结构横向净距对地表结构的影响 24

3.2.3.3小结 25

3.2.4不同类型土体的影响分析 25

3.2.4.1土体对地表结构的影响 26

3.2.4.2土体对地下结构的影响 27

3.2.4.4小结 28

第四章结论与展望 29

4.1结论 29

4.2展望 29

参考文献 31

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

各类地下结构的存在破坏了土体的整体性，特别是带地下室的地表结构。地下室的底板在高度上与地下结构的顶板持平或更低，地下结构-土体-地表结构体系在地震时存在一个复杂的相互作用关系，因此极有必要考察地震时二者的相互影响规律。

本论文即针对该问题，建立地下结构-土体-地表结构整体计算模型，考虑地表结构地下室层数、尺寸、与地下结构的间距、土层参数、地震波特性等因素的影响，探讨地震时二者的地震响应相互影响规律，为工程结构的抗震设计提供参考。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外大量学者针对土–地下结构相互作用体系进行了广泛而深入的研究，并取得了丰富的研究成果。

1.2.1地下结构对周围场地土相互作用影响

目前研究主要集中于针对圆形、矩形等规则、小体积的地下结构对周围场地土体的影响。Barros 等^【1】采用间接边界元法,并基于移动格林函数分析了半无限空间中圆形孔洞在不同方向入射的 P 波、SH波、SV 波以及 Rayleigh 波作用下对地表运动的影响。Smerzini 等^【2】基于瑞利法,分析了空间尺寸、埋深以及入射波特性因素在圆形洞室对地表地震响应中的影响。Alielahi 等^【3】利用鲁棒数值算法,研究了隧道尺寸、形状、埋深等对无衬砌隧道周围土体响应的影响,研究表明在短主频率的入射波作用下,地下结构能对放大地表结构的位移。Baziar 等和Moghadam 等^【4】研究了隧道对地表土体加速度的影响,发现隧道的存在会减小体系的周期,放大长周期效应,且该效应主要与无量纲周期和结构柔度等因素有关。

刘中宪等^【10】研究了混凝土衬砌在饱和土体条件下,隧道衬砌对平面 SV 波的二维散射问题,发现部分频率对于隧道上方地表的水平位移存在着较大的放大效应。陈国兴等^【11】分析了土体-地下结构在含液化土层的深厚场地上的加速度响应规律,研究表明地下结构的存在对其周围土体有附加应力作用,且对于周围土体的加速度反应特性有着显著的影响。

1.2.2地表结构对地下结构地震响应影响

Pitilakis 等^【5】研究了隧道地震响应与相邻地表结构的关系，考虑了土对隧道的相对柔度、隧道尺寸、隧道埋深以及振动过程中的土壤性质等参数,发现地上结构的存在对隧道的地震响应有着重要的影响，特别是当地上结构刚度较大且位于浅层时，且研究还发现地震动特性、地表结构位置、力学特性、土-结构交界面特性、地震动的非一致性等都对该体系与重要影响。Tzarmados 等^【6】研究了浅埋地下结构与地表结构的地震响应,研究表明地震响应会随地震波波长的增大河地下结构尺寸的降低而减小,且地表结构会有限度的增大地下结构的地震激励。

何伟^【12】研究了地表结构的存在对地铁车站地震响应的影响,研究发现地震波特性、结构之间的相对位置和土体刚度与地表结构对地下结构的响应放大效果有关。李方杰^【13】分析了地下结构和地表结构群的相对位置在地震作用下的响应规律,研究发现地表结构的存在对地下结构的地震响应产生了不可忽视的影响,其中靠近地表结构侧的地铁车站地震响应明显大于对称位置的另一侧。

1.2.3地下结构对地表结构地震响应影响

早期社会的发展并未对城市的地下空间利用表现出迫切的需求,也并未对地下结构对地表结构的地震响应影响展开深入的研究。但现阶段随着地下结构的发展,在地下结构的尺寸、跨度等方面提出了更高、更严格的要求。在实际工程中发现地下结构不但能够改变地震波的特性,而且能改变地震波的传播。并且随着地下结构日益复杂化,地下结构-地表结构形成的体系的刚度增加,其体系的基本频率也非常有可能发生巨大的变化,从而造成地表结构的地震响应改变。目前,这方面的研究成果较少。

Azadi等^【7】构建了盾构隧道-地表结构体系,通过使用不同地震波,发现地表结构的弯矩大小和水平位移都在很大程度上手到结构类型和地震波频率的影响。Guo 等^【8】利用层间位移频谱法,研究地铁车站对地表结构层间位移比的影响,研究表明在考虑地表地震响应的前提下,地铁车站的存在增加了邻近土体的整体刚度,从而增加了满足邻近地表结构变形的要求,特别是存在长周期结构的工况下,相比于短周期结构,长周期结构更容易受地下车站结构的影响。Wang 等^【9】采用地下结构-土体-地表结构相互作用模型,研究地表结构体系、地震波入射、地下结构和地表结构的相对位置、土体性状、地下结构埋深等因素对该体系地震响应的影响,其中地表结构体系、地震波入射方向能最为显著地影响体系的地震响应。

王国波等^{【14】【15】}利用隧道-土体-地表邻近框架结构模型和隧道群-土体-地表框架结构相互作用模型,分析了隧道、隧道群、多个地下结构与地表结构之间的相互作用效应,分析认为地下结构的存在对于上述体系并无显著的地震响应影响。何伟^【16】发现在匀质合成层地基工况下, 地基土刚度在地铁车站对地表结构的地震响应规律中有着非常显著的影响,当地基周围土体的刚度较小时,地铁车站对地表结构的地震响应有较大的放大效应。杨书燕^【17】等研究分析了结构-基础-土-隧道体系中，地表结构在筏片基础、桩筏基础平面内,结构基础和结构顶端在筏片基础上会向无隧道一侧发生位移,而在桩筏基础无此现象。

随着地下综合体、地下枢纽站以及地下地铁车辆段等长大型地下结构的出现,实际工程急需对于地下结构与地表结构地震响应的影响方面的研究。现今地下结构-土-地表结构相互作用的研究主要集中于单个地下结构与单个地表结构的相互作用分析,其余部分的研究并未广泛开展。本论文即针对带地下室地表结构与地下结构地震响应相互影响等问题,建立地下结构-土体-地表结构整体计算模型并进行研究。

1.3 主要研究内容

建立地下结构-土体-地表结构整体分析模型：

① 建立自由场模型；

② 建立土-地下结构（矩形车站）模型；

③ 建立土-带地下室地表结构模型；

④ 建立地下结构-土体-带地下室地表结构模型。

进行关键影响因素的参数分析，主要包括：

① 地下室方面：层数、宽度；

② 地下结构方面：仅考虑浅埋矩形地铁车站

③ 空间关系方面：地下室与地下结构的净间距

④ 地震动方面：幅值和类型

⑤ 土性参数方面：硬土和软土。

（3）总结归纳带地下室结构与地下结构地震响应相互影响规律。

1.4 主要研究方案

本文拟采用理论分析、数值计算相结合的方法开展研究工作，具体研究方法包括：

建立合适的数值分析模型

构建合理的地下结构-土体-带地下室地表结构整体计算模型及各子模型，具体建立如下模型：

① 建立自由场模型；

② 建立土-地下结构（矩形车站）模型；

③ 建立土-带地下室地表结构模型；

④ 建立地下结构-土体-带地下室地表结构模型。

（2）动力响应分析

针对上述研究内容，逐一按各工况的计算分析。

（3）对比分析总结

判断地表结构地下室层数、尺寸、与地下结构的间距、土层参数、地震波特性等因素对体系地震响应的影响规律。

第二章计算模型

2.1 本构模型及参数

2.1.1土体模型及参数

本文选用两种土体，即软土和硬土，如图2-1所示。软土工况土体总厚度70m，分为两层，上层为60m软土；下层为10m基岩。硬土工况土体总厚度40m，分为两层，上层为35m硬土；下层为5m基岩。其余具体参数见表2.1：

表2.1 土体模型参数

土质	密度（kg/m³）	剪切波速（m/s）	泊松比	剪切模量（Pa）	弹性模量（Pa）	模型
软土	1800	200	0.45	7.2x10⁷	2.09x10⁸	Davidenkov模型
硬土	1900	400	0.30	3.04x10⁸	7.9x10⁸	Davidenkov模型
基岩	2200	500	0.20	5.5x10⁸	1.32x10⁹	弹性模型

2.1.2地表结构模型及参数

地表结构选用标准层高3m，建筑宽度15m，采用最常见的框架结构。确定建筑高度时，采用对不同层数的建筑进行模态分析的方法，所得不同层数的一阶频率如表2.2所示，为满足最不利情形的要求，选取与软土地基自由场频率（自由场频率0.8158Hz，详见表3.1）最接近的地表结构（地表以上5层，15m高）。其余具体参数如下：框架柱的截面尺寸600mmtimes;600mm，顶板厚度600mm，楼板厚度400mm，底板厚度1000mm，侧墙厚度600mm，混凝土C30强度等级。

表2.2 不同层数地表建筑物频率

层数	3	4	5	6	7
一阶频率（Hz）	1.4028	1.0637	0.8138	0.6457	0.5873

为了分析带地下室结构的影响，在地表五层框架结构一下增加一层15m宽、一层45m宽、三层15m宽、三层45m宽的地下室结构。地下室同样采用最常见的框架结构，具体参数如下：框架柱的截面尺寸600mmtimes;600mm，顶板厚度600mm，楼板厚度400mm，底板厚度1000mm，侧墙厚度600mm，混凝土C30强度等级。地表结构如图2.1所示：

（a）一层15m宽地下室的地表结构