基于ANSYSY軟件軟土地區地下車站抗震分析研究
——以天津軟土地區為例

王士軍

（鶴壁職業技術學院 458030）

1 概述

近幾十年來，地下結構的抗震問題日益受到重視，國內外學者也針地下結構問題做了很多研究工作。在實驗研究中，振動臺實驗法因其能夠較方便地進行材料選取和配比，且能直觀地把握地下結構物的地震響應特性，而被廣泛應用，但由于其資金和時間問題，目前盡可在少數地區部門可以實現振動臺試驗，而實際工程在時間上和資金上都需要能快速得出實驗結果，為設計施工提供相應依據，通常采用模擬實驗比較常見，ANSYS軟件在建模是有多種方式可選，可以自頂向下、自底向上或者兩者混合運用建立簡單或者復雜的幾何模型，通常是經過各種布爾運算和操作建立所需幾何實體，由于其優越性和實驗結果與真實的一致性，是目前我們研究地下結構抗震運用較多的軟件。

本文選用已建好的地鐵五號線某車站結構作為研究對象，基于ANSYS大型有限元軟件，重點分析該車站結構在罕遇地震及頻遇地震作用效應，研究其抗震情況下位移及內力的大小及分布規律，為天津及全國其他軟土地區地下結構的抗震設計提供相關依據。

2 建立模型

2.1 采用的計算模型、材料參數以及分析步驟

本文建立地鐵車站三維模型，為了對比分析，在抗震分析中建立模型，模型的結構部分用土體填充，即：由土體和三個方向的彈簧單元組成的自由場模型。并施加重力荷載進行靜力平衡計算，之后設定動力條件，輸入地震波，實施相應的動力響應分析。本文中地震加速度采用三個方向輸入的方式對所建模型進行瞬態抗震分析，輸入的地震波為寧河天津波，“中國天津（1976）地震豎向記錄”，天津波的記錄時長為5s，時間間隔為0.01s，場地為第三類，記錄信號為豎向加速度。在本次研究輸入之前，對原始的記錄數據做了部分調整。依據我國地震局烈度表，地面運動的水平峰值加速度a的平均值分別為0.125g，0.25g，0.5g分別為基本烈度7，8，9度相對應的數值，模型所在場地的基本烈度為7，則對于天津記錄av/avmax=0.125g/2/73.14=1.5，所以天津波應該乘以1.5這個修正系數之后使用。

（1）本文研究所采用的土的模型為Drucker-prager本構模型。該模型的建立是在考慮靜水壓力的Drucker-prager屈服準則原則上建立的。

（2）在本次地鐵車站結構采用線彈性模型。車站結構的材料為鋼筋混凝土，彈性模量為28.5GPa，密度為2500Kg/m3，泊松比為0.2。

圖1 整體有限元和車站結構模型

2.2 土體與結構的位移和應力包絡圖

在本文分別對三個模型進行抗震計算，一共計算了5s，每0.1s輸出了一步長結果數據，所以最后總得到結果數據為幾十組，通過了對這幾十組結果數據中的x，y，z三個方向的位移值和三個方向的應力值進行了大量的數據統計，最終得到了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個模型中土體的x，y，z三個方向的位移包絡圖和x，y，z三個方向的應力包絡圖，Ⅰ、Ⅱ兩個模型中結構的x，y，z三個方向的位移包絡圖。

圖2 土體x方向位移包絡圖

圖3 土體y方向位移包絡圖

圖4 土體z方向位移包絡圖

2.3 對比分析

（1）在X方向上正向位移，三個模型在0～2s正向最大位移變化一樣的，而2s以后，模型A與模型C的變化時幾乎可看成在一條線上，同時在第3s達到最大為0.069，然后逐漸變小直到第4s達到最小后才有發生逐漸變大的趨勢；而模型B在第2～3.5s之間曲線成逐漸上升直到3.5s附近達到最大值0.1013（其值大于A、B模型在該方向的值），而后逐漸下降直到4.3s左右趨于零。

（2）在X負向上的位移，三個模型在0～4.3s的變化曲線是相似的，A、C模型變化可看成在一條線上，在0～2s曲線在負向位移絕對值呈逐漸增大的趨勢直到第2s時達到第一個負向最大的絕對值即0.044，而B模型的負向絕對值為0.062大于其他兩個模型的值，隨后三個模型位移絕對值都逐漸減小直到2.5秒幾乎為零，2.5～3.6s其變化曲線幾乎成一條直線不變，3.6～4.3s三個模型的變化曲線呈現負向絕對值增大的趨勢，在4.3秒附近A、C模型達到負向絕對值最大分別為0.074和0.072，隨后又呈現負向絕對值逐漸減小的趨勢，而對于B模型在4.3～4.9s繼續呈現負向絕對值增大的趨勢直到4.9秒時達到第二個負向絕對值最大即0.116（此值在負向上位移絕對值最大），而后又呈現負向絕對值逐漸減小的曲線

（3）在Y方向正向位移，三個模型位移包絡線在0～2s時曲線幾乎呈現一條直線，2～3.1s模型A,C的正向位移包絡線呈現曲線逐漸上升，在3.1s分別達到最大值為0.106和0.113，3.1～4s模型A，C表現為逐步下降的曲線，在4s趨近于零，而后便沒有多大的變化趨勢。而模型B在2～3.5s是曲線顯示為上升，直到在3.5s是位移達到最大0.131。3.5～4.2s曲線呈下降段直到接近于零，而后幾乎沒有多大的變化。

（4）在Y方向的負向位移，對于模型A、C在0～1.9s時曲線下降，但是位移絕對值呈增大階段，直到在1.9s時達到第一個絕對值最大點，其值分別為0.064、0.070。1.9～2.4s曲線呈上升階段，位移絕對值減小至零，2.4～3.7s幾乎趨近零，3.7～4.7s曲線表現為下降階段，位移絕對值增大，在4.7s時達到第二個最大點，位移絕對值分別為0.124、0.122。而后曲線有上升。對于模型B，0～2.1s曲線為下降段，位移絕對值增大，在2.1s時達到第一個絕對值最大點，即0.074，2.1～3.8s曲線上升，位移絕對值減小至零，3.8～4.9s曲線下降，位移絕對值達到第二個最大點，即0.150。

（5）在Z方向正向位移，三個模型的曲線變化復雜，但總體是呈上升的曲線，模型A在4.5s時達到最大值0.029，模型B在5s時達到最大值0.044，模型C在4.1s時達到最大值0.028。在負向上，三個模型的曲線同樣是復雜多變的，總體上成下降階段，而位移絕對值增大，A模型在4.5s達到絕對值最大為0.027，B在4.9s發生最大絕對位移值是0.039，C在4.1s呈現出絕對值最大為0.028

通過以上可知，地震載荷對土體產生的響應主要集中在 4～5s，可見此階段是地震作用對土體的影響是最大的。在X、Y方向上正負位移值較大，故此在考慮地震作用影響時需要考慮這兩個方向。

3 結論

對天津軟土地基中地鐵車站結構在不同模型下對地震波作用下的地震動力反應特點進行研究分析，總結出了一些地震動力響應特點如下：

（1）在地震作用下， X、Y方向受地震動影響的時間較長，而Z方向受其影響較短，所以在考慮地震動影響時可以首先考慮X、Y兩個方向的影響。通過豎直邊界不同取值建模對比分析，可得由于豎向土體選取的不同，受地震作用的影響也不同，主要是隨著豎向土體的增加，地震作用對土體的地震響應逐漸增強，地結構地震動反應受周圍土層的影響明顯，

（2）通過測點分析，中柱、底部、側邊墻以及頂板中部的變形比較大，在抗震設計時應著重考慮。