基于ANSYSY軟件軟土地區(qū)地下車站抗震分析研究
——以天津軟土地區(qū)為例

王士軍

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學院 458030）

1 概述

近幾十年來，地下結(jié)構(gòu)的抗震問題日益受到重視，國內(nèi)外學者也針地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)地區(qū)部門可以實現(xiàn)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(jié)果，為設(shè)計施工提供相應依據(jù)，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(jīng)過各種布爾運算和操作建立所需幾何實體，由于其優(yōu)越性和實驗結(jié)果與真實的一致性，是目前我們研究地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為研究對象，基于ANSYS大型有限元軟件，重點分析該車站結(jié)構(gòu)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(nèi)力的大小及分布規(guī)律，為天津及全國其他軟土地區(qū)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供相關(guān)依據(jù)。

2 建立模型

2.1 采用的計算模型、材料參數(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)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(tài)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(shù)據(jù)做了部分調(diào)整。依據(jù)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(shù)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(shù)之后使用。

（1）本文研究所采用的土的模型為Drucker-prager本構(gòu)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(jié)構(gòu)采用線彈性模型。車站結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型

2.2 土體與結(jié)構(gòu)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(jié)果數(shù)據(jù)，所以最后總得到結(jié)果數(shù)據(jù)為幾十組，通過了對這幾十組結(jié)果數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(xù)呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)一條直線，2～3.1s模型A,C的正向位移包絡線呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)生最大絕對位移值是0.039，C在4.1s呈現(xiàn)出絕對值最大為0.028

通過以上可知，地震載荷對土體產(chǎn)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(jié)論

對天津軟土地基中地鐵車站結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(cè)邊墻以及頂板中部的變形比較大，在抗震設(shè)計時應著重考慮。