基于樁-土相互作用的軟土地區結構抗震影響分析

徐少羽

(蘭州交通大學,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來,建筑的不均勻沉降事故在我國軟土及濕陷性黃土地區頻頻發生。例如蘭州、上海、廣東、天津等地。沉降事故的發生對建筑物本身及周邊居民人身安全造成了巨大的危害,其可能導致墻體開裂、傾斜甚至倒塌,嚴重影響了建筑物的正常使用功能。為了貫徹國家節能減排政策,實現對資源的合理化利用及貫徹可持續發展戰略方針,針對此類有問題的建筑進行加固改造顯得尤為重要。

通過對結構受損的既有建筑物地基進行安全評估以及檢測鑒定,然后采取合理的符合規范要求的加固改造措施,從而恢復建筑物正常使用功能。這一方式與拆舊建新對比就顯得更為經濟且實用。據相關震害調查數據集顯示,使用了樁基礎形式的建筑物相比其他形式基礎的建筑物所受到的震害明顯減輕,說明了樁基具有較好的抗震性能[1]。樁-土-結構相互作用的研究有著重大意義。樁-土-結構相互作用的研究可以追溯到20世紀60年代初。當時,人們對樁基礎工程的認識還非常有限,主要局限于靜力學分析和經驗公式設計。其中Poulos[2]運用明特林(Mindlin)基本解分析了群樁基礎沉降所存在的問題。Wolf[3]基于Poulos的分析方法進行了改進,并且通過改進后的分析方法對群樁進行了動力分析。Wolf改進后的分析方法不僅考慮了土的輻射阻尼,還考慮了樁-土之間的相互作用力,該分析方法能得出土的柔度矩陣。Mamoon[4],Masayuki[5]等人對群樁進行了動力響應分析,為樁-土-結構體系在考慮群樁效應后的動力分析做出了貢獻。隨著實際工程中樁基礎的成功應用和技術手段的不斷創新,樁-土-結構相互作用逐漸成為研究熱點。特別是在20世紀80年代以后,隨著計算機技術和試驗研究手段的發展,樁-土-結構相互作用的研究進入了快速發展期。

目前我國學者對于樁-土-結構體系建筑的研究大部分都處于靜力相互作用方面,而對于該體系在動力相互作用方面的研究工作相對較少。傳統的抗震設計常常假定地基為剛性,不考慮結構和地基的相互作用[6]。此方法雖然簡便易行,但無法考慮結構整體的剛度及變形協調,易造成浪費或不安全[7]。而蘭州地區土質較軟,地基相對柔性,針對部分處于軟土地區的建筑使用剛性地基假設并不合理,因此需考慮樁-土-結構共同作用。而地震中樁-土-上部結構相互作用是影響結構抗震性能的重要因素[8-9]。基于上述在傳統設計中的不合理,本論文針對蘭州市東鄉縣某框架結構建筑在進行靜壓樁加固后進行抗震分析,著重探究土體彈性模量對樁-土-結構體系建筑的抗震性能影響。

1 工程項目概況

本論文針對蘭州市東鄉縣某醫院在經過靜壓樁加固后進行抗震分析,該結構為1棟7層框架結構,結構的底層層高為4.5 m,其他層層高3.6 m,總高26.1 m,現截取該結構寬度方向中部一榀三跨為研究對象,框架柱尺寸為600 mm×600 mm,框架梁尺寸為400 mm×600 mm,樓板為厚度120 mm混凝土樓面板。樁的長度為20 m,直徑為300 mm。其中框架柱與框架梁均采用C40混凝土,樓板采用C30混凝土。鋼筋采用HRB400。結構模型參數見表1。

表1 結構模型參數表

2 有限元模擬分析

2.1 建模方法

本論文通過有限元軟件ABAQUS建立與既有建筑相對應的樁-土-結構體系的模型并進行分析(見圖1,圖2),混凝土柱、梁、樁及土體皆使用實體單元(C3D8R)進行模擬,土體使用Drucker-Prager本構模型,根據文獻[10]將土體的計算區域長度與寬度設置為50倍樁徑。樁土接觸之間采用主從接觸面法來模擬[11],鋼筋使用桁架單元(T3D2)進行模擬,受力鋼筋型號為HRB400。豎向荷載只考慮自重,水平荷載只考慮水平地震作用。各土體之間使用相互作用中的綁定(Tie)約束連接;鋼筋使用內置(Embedded)方法嵌入到實體模型中。土體參數引用文獻[12],詳細數據參考表2,各土層泊松比均為0.2。

2.2 模態分析

在ABAQUS中的線性攝動模塊將三種場地條件下的樁-土-結構體系及剛性連接條件下的上部結構自振周期進行提取,本文提取上述各工況下前7階自振周期進行分析研究,三種場地條件下的自振周期及剛性連接條件下的上部結構自振周期如表3所示。本文中以代號GJ代表地基剛接模型,SSD1,SSD2,SSD3分別代表序號為1,2,3的三種場地土的工況。

表2 3種場地土參數

表3 各模型前7階自振周期

根據表3我們可以看出,SSD1的第一階自振周期相較于GJ的第一階自振周期增長了34.37%,SSD2的第一階自振周期相較于GJ的第一階自振周期增長了36%,SSD3的第一階自振周期相較于GJ的第一階自振周期增長了36.98%,相較于僅考慮剛性地基條件下,考慮樁-土-結構動力相互作用后的整體的剛度發生了變化,因而自振周期增大,并且隨著場地土的軟化,結構的自振周期也會增大,這說明場地條件越軟,其自振周期與我們傳統設計中僅考慮上部結構剛性地基的差異越大,因而在進行針對結構的動力分析時,更應該對樁-土-結構整體進行考慮。

2.3 地震動的輸入

建筑所在地區的設防烈度為7度,設計峰值加速度為0.1g,地震設計分組為第二組,場地類別為第三類。根據地震時程分析中地震波的選取原則,選取三條主要周期與場地卓越周期相近的地震波,對三條地震波進行調幅后對目標建筑進行7級設防地震時程響應分析。調幅后的最大加速度峰值取0.122 m/s2。地震反應譜及三條地震波加速度時程曲線如圖3所示。

2.4 地震時程響應分析

本文針對樁-土-結構動力相互作用模型中土體的彈性模量這個對樁-土-結構動力相互作用影響效應起決定性作用的因素,運用通過有限元軟件ABAQUS對結構模型進行動力時程分析,從目標結構的頂點位移、層間位移角兩個參數的變化綜合分析樁-土-結構模型中土體彈性模量的變化對上部框架結構抗震性能的影響規律及影響程度。

2.4.1 層間位移角分析

將上述中三條地震波調幅后分別加載至剛接模型及樁-土-結構耦合模型底部。各層的層間位移角輸出結果如圖4所示。

從圖4中可以看出,在RNS1762地震波激勵下,僅考慮上部結構剛接的最大層間位移角為0.001 652。而在SSD3工況下,最大層間位移角為0.003 96,在RNS8134地震波激勵下,僅考慮上部結構剛接的最大層間位移角為0.001 495。而在SSD3工況下,最大層間位移角為0.006 76。在RNS5774地震波激勵下,僅考慮上部結構剛接的最大層間位移角為0.001 683。而在SSD3工況下,最大層間位移角為0.004 28。綜上可知,在地震激勵作用下,樁-土-結構耦合體系的絕對水平位移均大于不考慮相互作用影響的上部結構水平位移,隨著土體彈性模量的降低,層間位移角呈增長趨勢。且本論文中該框架結構的最大層間位移角均出現在第二層。從二層到七層層間位移角逐漸減小。

2.4.2 頂點位移分析

將上述中三條地震波調幅后分別加載至剛接模型及樁-土-結構耦合模型底部。輸出的頂點位移時程曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出,在三條地震波激勵作用下,GJ工況下頂點位移最大值為25.7 mm,在SSD3工況下,頂點位移最大值為105.2 mm。不同地震波激勵下SSD3工況的頂點位移均最大,樁-土-結構耦合體系的頂點位移均大于不考慮相互作用影響的上部結構頂點位移最大值,并且隨著土體彈性模量的降低,頂點位移最大值呈增長趨勢。

2.4.3 頂點加速度分析

1)RSN1762作用下頂點位移時程分析。將上述中三條地震波調幅后分別加載至剛接模型及樁-土-結構耦合模型底部。其中在地震波RSN1762輸出的頂點位移時程曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出在地震波RSN8134激勵下,在GJ情況下,頂點加速度最大值為3.256 m/s2,在SSD3情況下,頂點加速度最大值為5.574 m/s2。增幅為71.19%。樁-土-結構耦合體系的頂點加速度均大于不考慮相互作用影響的上部結構頂點加速度,隨著土體彈性模量的降低,頂點加速度呈增長趨勢。

2)RSN1762作用下頂點位移時程分析。將上述中三條地震波調幅后分別加載至剛接模型及樁-土-結構耦合模型底部。其中在地震波RSN8134輸出的頂點位移時程曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出,在地震波編號RSN8134激勵作用下,GJ工況的頂點加速度最大值為3.793 m/s2,在SSD3情況下,頂點加速度最大值為5.933 m/s2。增幅為56.41%。樁-土-結構耦合體系的頂點加速度均大于不考慮相互作用影響的上部結構頂點加速度,隨著土體彈性模量的降低,頂點加速度呈增長趨勢。

3)RSN5774作用下頂點位移時程分析。將上述中三條地震波調幅后分別加載至剛接模型及樁-土-結構耦合模型底部。其中在地震波RSN5774激勵作用下輸出的頂點位移時程曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出,在地震波編號RSN5774激勵作用下,GJ工況的頂點加速度最大值為3.34 m/s2,在SSD3情況下,頂點加速度最大值為5.814 m/s2。增幅為74.07%。樁-土-結構耦合體系的頂點加速度均大于不考慮相互作用影響的上部結構頂點加速度,隨著土體彈性模量的降低,頂點加速度呈增長趨勢。

2.4.4 基底剪力分析

將上述中三條地震波調幅后分別加載至剛接模型及樁-土-結構耦合模型底部。各工況下的基底剪力輸出結果如圖9所示。

從圖9可以看出,在三條地震波激勵作用下,樁-土-結構耦合體系的基底剪力峰值均大于不考慮相互作用影響的上部結構頂點位移,隨著土體彈性模量的降低,基底剪力峰值呈增長趨勢。在GJ情況下,基底剪力峰為1 621 kN,在SSD3情況下,基底剪力峰值為1 950 kN,增幅20.3%。

3 結語

通過對7層鋼筋混凝土框架結構所對應的剛性地基和樁-土-結構耦合模型進行地震時程響應分析發現,在考慮樁-土-結構相互作用后上部結構的地震響應與僅考慮剛性地基連接下的上部結構的地震響應有較大差異,說明當下我們傳統的結構設計僅考慮剛性地基是不準確且不安全的。結論如下:

1)相較于僅考慮剛性地基條件下,考慮樁-土-結構動力相互作用后的整體的剛度發生了變化,自振周期增大。

2)隨著場地土的軟化,場地土彈性模量的降低,結構的自振周期也會增大,這說明場地土條件越軟,其自振周期與我們傳統設計中僅考慮上部結構剛性地基的差異越大,因而在進行針對結構的動力分析時,更應該對樁-土-結構整體進行考慮。

3)在考慮樁-土-結構相互作用后,建筑所在區域的地基土為中硬及堅硬時,可以按照剛性地基對結構進行地震響應分析,此時上部結構的地震響應與剛性地基條件下的地震影響差異較小。

4)在考慮樁-土-結構相互作用后對上部結構的地震響應是不利的,其各工況下層最大層間位移角、頂點最大位移、頂點最大加速度、基底剪力均大于地基剛接時所輸出的結果。尤其在軟土及中軟土地區差異較為明顯,并且隨著土體彈性模量的降低,各層最大層間位移角、頂點最大位移值、頂點最大加速度、基底剪力均有增加。