可液化場地框架式地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗與數(shù)值模擬的對比分析_黃營_W

1、第 35 卷 增 刊 2 巖 土 工 程 學 報 Vol.35 Supp.2 2013 年10 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Oct. 2013 可液化場地框架式地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗與數(shù)值模擬的對比分析黃 營 1, 2，陳國興 1, 2*，戚承志 3，杜修力 4 (1. 南京工業(yè)大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210009；2. 江蘇省土木工程防震技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210009； 3. 北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044；4. 北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100022) 摘 要：根據(jù)可液化地基土地鐵

2、車站結(jié)構(gòu)動力相互作用大型振動臺模型試驗結(jié)果，以ABAQUS 軟件為平臺，將地基土地鐵車站結(jié)構(gòu)體系視為平面應變問題，采用動塑性損傷模型描述地鐵車站結(jié)構(gòu)混凝土的動力特性，采用修正的Davidenkov 黏彈性動力本構(gòu)模型和孔壓應變模型分別描述土體的動力非線性特性和孔隙水壓力的發(fā)展過程，建立地基土地鐵車站結(jié)構(gòu)非線性動力相互作用有限元分析模型。對不同試驗工況下地基土地鐵車站結(jié)構(gòu)體系的地震反應進行數(shù)值模擬，分別與試驗結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明：模擬值與試驗值基本一致，呈現(xiàn)出相似的規(guī)律性，相互驗證了數(shù)值模擬結(jié)果和振動臺試驗結(jié)果的正確性。 關(guān)鍵詞：可液化場地；地鐵車站；振動臺試驗；數(shù)值模擬；有效應力法 中

3、圖分類號：TU352；U311.4文獻標識碼：A文章編號：10004548(2013)S2047108作者簡介：黃 營(1986 )，男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事地下結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail: 。 Comparative analysis between shaking table model test and numerical simulation of frame subway station structure in liquefiable groundHUANG Ying1, 2, CHEN Guo-xing1, 2, QI Cheng-zh

4、i3, DU Xiu-li4(1. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China; 2. Civil Engineering EarthquakeDisaster Prevention Center of Jiangsu Province, 210009 ,China; 3.School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University ofCivil Engineering and

5、Architecture, Beijing 100044, China; 4.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University ofTechnology, Beijing, 100022, China)Abstract: Based on the results of the large shaking table test on frame subway station structure in liquefiable ground, considering the influence of the soil-

6、structure nonlinear dynamic interaction by 2D finite element method, the nonlinear dynamic interaction of soil-subway station is modeled by ABAQUS software. In the modeling, the dynamic plastic-damage model is used to simulate the dynamic characteristics of station concrete, the modified Devidenkov

7、viscoelastic constitutive model is used to simulate the dynamic characteristics of soil, and the dynamic pore water pressure strain model is used to simulate the development of pore water pressure. The seismic response of soil and subway station system under different test conditions is analyzed by

8、means of the numerical simulation method. And then, the simulated results and the shaking table test records are compared. The results show that the simulated results are basically identical with the shaking table test records. So that, the modeling results and the shaking table test results are pro

9、ved to be correct.Key words: liquefiable ground; subway station structure; shaking table test; numerical simulation; effective stress method0引言究很有必要。 近 10 多年來，國內(nèi)外學者對地下結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域進 地震調(diào)查表明，場地液化是地下結(jié)構(gòu)震害的主要原因之一。由于地鐵延伸范圍寬廣，地鐵地下結(jié)構(gòu)不可避免地穿越可液化土層，例如南京、深圳等城市的地鐵均遇到了可液化地層。在強震作用下，土層的液化很有可能對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的破壞作用1。因此，對處于可液化場地的地鐵

10、地下結(jié)構(gòu)的抗震性能進行研 基金項目：國家自然科學基金重大研究計劃集成項目（91215301）；北京市 屬高 等學 校創(chuàng) 新團 隊建 設與 教師職 業(yè) 發(fā)展計 劃項 目 （IDHT20130512） 收稿日期：20130624*通訊作者 4722013 年巖 土 工程學報行了大量研究，但目前對可液化場地上地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究相對較少。劉華北等2-3采用非線性液固兩相體動力有限元軟件 DIANA SWANDYNE-對飽和可液化土中地下結(jié)構(gòu)的地震反應進行了研究； Paolo 等4進行了循環(huán)荷載作用下砂土和結(jié)構(gòu)動力相互作用的大型振動臺試驗；S.Tamura 等5進行了液化砂土 結(jié)構(gòu)相互作用體系大

11、比例模型試驗研究； Tomari 等6通過振動臺試驗研究了柔性矩形斷面結(jié)構(gòu)在可液化地層中的地震反應； 等7基于能夠模擬飽和砂土液化后大變形響應的彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型， 從飽和砂土單元在液化過程中的應力應變響應角度， 揭示了土和結(jié)構(gòu)的剪切變形與飽和砂層液化程度的關(guān)系；陳國興等8-10為研究可液化土層中土地鐵車站結(jié)構(gòu)動力相互作用進行了一系列地下結(jié)構(gòu)大型振動臺試驗，通過試驗認知可液化地基上地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應的基本規(guī)律與特征。 由于缺少地震時土地下結(jié)構(gòu)體系地震反應的實測數(shù)據(jù)，振動臺模型試驗是研究地下結(jié)構(gòu)地震反應的一種重要方法，而振動臺試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合又是正確認識這一問題的有效途徑。本文以 ABAQ

12、US 軟件為計算平臺，對可液化場地地鐵車站結(jié)構(gòu)大型振動臺模型試驗進行數(shù)值建模，并與試驗結(jié)果進行了對比分析。 圖 1 模型場地土中及車站結(jié)構(gòu)中傳感器布置圖Fig. 1 Layout of sensors embedded in model foundation and subway station表 1 振動臺模型試驗加載工況Table 1 Loading conditions of shaking table test工況序號工況代號持續(xù)時間/s峰值加速度/g1可液化場地土-地鐵車站結(jié)構(gòu)大型振動臺模型試驗概況本試驗在南京工業(yè)大學大型振動臺上完成，根據(jù)輸入地震動123456SP-1 TA-1 S

13、F-1 SF-2 SF-3SP-310015100100100100松潘波 Taft 波什邡八角波什邡八角波什邡八角波 松潘波 試驗的相似設計，進行可液化場地上幾何比例為 1 30 模型振動臺試驗。該試驗采用課題組自行研制的疊層剪切型土箱和自行研發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的 98 通道動態(tài)信號采集系統(tǒng)11-12。在試驗中，模型場地土分為兩層，頂部覆蓋層為厚 0.15 m 的黏土，其余為飽和南京細砂，厚度為 1.25 m，模型車站結(jié)構(gòu)的上覆土層厚度為 0.12 m。在試驗前對模型土和模型結(jié)構(gòu)的制備方法和模型材料的物理特性進行了室內(nèi)試驗研究， 地鐵車站模型試驗的裝箱與

14、主觀測面的傳感器布置如圖 1 所示，試驗方案詳見文獻9。試驗記錄了輸入 Taft 波、什邡八角波和松潘波時不同加載工況下模型地基的加速度反應、孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律，車站結(jié)構(gòu)的動應變反應、加速度反應等，詳見文獻9。振動臺模型試驗加載工況如表 1 所示。 7Taft 波TA-3150.5采用等剛度折減彈性模量的方法將車站結(jié)構(gòu)中柱等效為一面縱墻，把地基土地鐵車站結(jié)構(gòu)體系視為平面應變問題。地下水位線位于黏土層與砂土層交界處，地基土底邊及兩側(cè)均為不透水邊界，在地震過程中可液化土層不排水。計算區(qū)域以模型箱為界，模型底部采用固定邊界，模型兩側(cè)采用限制側(cè)邊界點的豎向位移并釋放水平位移的約束條件。地基土與地鐵車站

15、結(jié)構(gòu)均采用四節(jié)點平面應變單元模擬，為了提高計算速度，模型地基土采用縮減積分單元，車站結(jié)構(gòu)采用全積分單元，采用摩擦接觸面對模擬地基土與車站結(jié)構(gòu)界面間的動力傳遞特性，分析模型如圖 2 所示。分析過程：靜力分析，使地基土地鐵車站結(jié)構(gòu)體系在自重作用下達到初始地應力平衡狀態(tài)；動2 可液化場地土地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應數(shù)值分析2.1 數(shù)值模擬方法增刊 2黃 營，等. 可液化場地框架式地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗與數(shù)值模擬的對比分析 473利用 Martin 和 Finn 等15建立振動孔壓應變模型的試驗資料得到了累積體應變e v,d 與增量體應變De v,d 之間的經(jīng)驗關(guān)系曲線，將模型進行了簡化，孔壓發(fā)展模式可

16、表示為 力分析，在模型底邊界輸入地震加速度時程，進行后續(xù)動力分析。 Du = Er Dev,d(s )1-m(4)，Er = v(5)，s)n-mmk (2v0Dev,de v,d = C exp -Ca (6)，gg12a式中， g a 為第 N 次循環(huán)剪應變幅值； e v,d 為累積體應變； C1 ， C2 ，m，n， k2 為試驗參數(shù)。 充分考慮影響模型土動力反應的因素，采用水沉法控制模型土的密度及密實度，使用 SUMIT 淺層地震儀對模型地基進行面波測試得到模型土的平均剪切波速。模型地基土的參數(shù)如表 3 所示。 圖 2 地基土車站結(jié)構(gòu)的二維有限元分析模型Fig. 2 2D finite

17、 element model for soil-subway station structure2.2材料本構(gòu)及參數(shù)采用動塑性損傷模型13模擬車站結(jié)構(gòu)混凝土的動力力學特性，車站結(jié)構(gòu)采用微?；炷?，根據(jù)相似律確定模型參數(shù)，如表 2 所示。 表 2 地鐵車站結(jié)構(gòu)微?；炷恋膭铀苄該p傷模型參數(shù)Table 2 Dynamic plastic-damage model parameters of microconcrete for subway station structure3數(shù)值模擬結(jié)果與振動臺試驗結(jié)果對比分析地基土孔壓反應根據(jù)文獻9所得到的地基土不同深度處的孔隙 3.1水壓力反應，選取相同位置處

18、的測點，模擬得到各測點的孔壓反應，孔隙水壓力計的布置如圖 1（a）所示。圖 35 分別比較了工況 SF-1、SF-3 和 SP-3 時孔壓計W1、W2、W3、W5、W7 和 W9 記錄的試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯?，試驗值與模擬值具有較好的一致性，可得出如下規(guī)律： （1） 模型土各測點的孔壓比均隨著輸入加速度峰值的增大而增大。 （2） 模型土不同深度測點的孔壓比有所差異， 這種現(xiàn)象在小震作用下更明顯，從測點 W1、W2、W3可以看出，孔壓比隨著埋深的增加逐漸減小，說明土層上部更容易發(fā)生液化現(xiàn)象。 （3） 模型土相同深度不同位置處的孔壓比明顯不同，離模型結(jié)構(gòu)較遠的測點 W3 的孔壓比大于模型

19、結(jié)構(gòu)下方測點 W7 的孔壓比，主要是因為模型結(jié)構(gòu)的自重大于相同體積的土體自重，導致模型結(jié)構(gòu)底部土體的圍壓較大，較難以液化，所以模型結(jié)構(gòu)底部土體的液化程度小于相同深度的其他部位地基土的液化采用陳國 興等 14 提 出的修正 Matin-Seed-Davidenkov 黏彈性動力本構(gòu)模型描述土體的動力非線性特性，修正后的骨架曲線可表示為： Gmaxg 1 - H (g )g c g ult，(1)， (2)t (g ) = G1 - H (g)gg g maxult ultcultt ult = Gmaxg ult 1 - H (g ult )， A(g g)2 BH (g ) = 0(3)，1

20、+ (g g )2 B0式中， g ult 為剪應變上限值，A、B、g 0 為與土性有關(guān)的擬合參數(shù)。 采用 Martin 和 Finn 等15提出的振動孔隙水壓力應變模型描述振動孔隙水壓力的發(fā)展過程，Byrne16表 3 模型土的物理與力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of model soils修正的 Davidenkov 模型參數(shù)孔壓模型參數(shù)回彈模量計算參數(shù)土層 厚度/mg 0密度/(gcm-3)剪切波速/(ms-1)ABC1C2mnk2動泊松比1.870900.490.450.00025

21、0.380.00038黏土細砂0.80.5 0.43 0.625 0.0025模型參數(shù)參數(shù)值 模型參數(shù)參數(shù)值 彈性模量 E/MPa0.7510 4泊松比 0.18密度 /(kgm-3) 2500擴張角 /()32.4初始屈服壓應力3.91c0/MPa極限壓應力5.69cu/MPa初始屈服拉應力0.68t0/MPa拉伸變量 t0壓縮變量 c1壓縮因子 dc0阻尼比 0.14742013 年巖 土 工程 學 報 試驗曲線中孔壓消散比較明顯，而計算未獲得孔壓消散現(xiàn)象，這是由于數(shù)值模擬中采用是孔壓增量模型， 所以無法模擬峰值后孔壓消散過程；其二，孔壓試驗值和計算值在數(shù)值大小上存在差異，主要是由于建模過

22、程中假定邊界為不排水界面，而在試驗中邊界面有孔隙水排出造成的。 度。說明地下結(jié)構(gòu)影響了周圍地基土的孔壓分布。 在各工況下，從地基土中孔壓開始累計直至峰值 階段，孔壓比時程的試驗曲線與模擬曲線具有基本一致的變化規(guī)律，說明本文采用的計算模型可以較好地模擬振動臺模型試驗中可液化地基土的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律。但是，試驗值和模擬值存在兩點不同：其一， 圖 3 工況 SF-1 模型地基土各測點孔壓比計算與試驗結(jié)果比較Fig. 3 Comparison between calculated and test dynamic pore pressure ratios at each measuring poin

23、t under SF-1 test condition圖 4 工況 SF-3 模型地基土各測點孔壓比計算與試驗結(jié)果比較Fig. 4 Comparison between calculated and test dynamic pore pressure ratios at each measuring point under SF-3 test condition圖 5 工況 SP-3 模型地基土各測點孔壓比計算與試驗結(jié)果比較Fig. 5 Comparison between calculated and test dynamic pore pressure ratios at each me

24、asuring point under SP-3 test condition增刊 2黃 營，等. 可液化場地框架式地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗與數(shù)值模擬的對比分析 4753.2地基土加速度反應根據(jù)文獻9所得到的地基土不同位置處的加速度反應，選取相同位置處的測點，模擬得到各測點的加速度反應，加速度計的布置如圖 1（a）所示。圖 6 8 分別比較了工況 TA-3、SF-3 和 SP-3 時加速度計 A1、A3、A4、和 A7 記錄的試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯?，數(shù)值模擬和試驗記錄的加速度波形和頻譜成分總體趨勢具有較好的一致性。在地震動作用下，位于車站結(jié)構(gòu)上下部土層測點 A1、A3 的傅里葉譜差

25、異較大，均表現(xiàn)出低頻放大現(xiàn)象；相同高度的測點 A3、A7 的加速度時程和傅里葉譜也存在差異，A3 處的加速度幅值比 A7 處的加速度幅值大，A3 處傅里葉譜的 低頻成分比較豐富，說明地下結(jié)構(gòu)的存在影響周圍土層的地震動特性。 圖 9 比較了不同工況下地基土不同深度處的峰值加速度放大系數(shù)的試驗值與模擬值，由圖 9 可知，各加載工況下二者具有相同的變化趨勢。在 0.1g 地震動作用下，各測點峰值加速度放大系數(shù)變化較為一致， 砂土層對地震加速度的放大作用較為顯著。在 0.5g 地震動作用下，地基土對加速度的放大作用與輸入地震動的頻譜特性有關(guān)，在 Taft 波作用下，地表的地震動放大效應更加明顯。 總體

26、上講，數(shù)值模擬較好地模擬了振動臺模型試驗中可液化地基土的加速度響應規(guī)律。 圖 6 工況 TA-3 模型地基土各測點加速度時程和傅里葉譜計算與試驗結(jié)果比較Fig. 6 Comparison between calculated and test acceleration time histories and Fourier spectra at each measuring point under TA-3 test condition4762013 年巖 土 工 程 學 報 圖 7 工況 SF-3 模型地基土各測點加速度時程和傅里葉譜計算與試驗結(jié)果比較Fig. 7 Comparison bet

27、ween calculated and test acceleration time histories and Fourier spectra at each measuring point under SF-3 test condition圖 8 工況 SP-3 模型地基土各測點加速度時程和傅里葉譜計算與試驗結(jié)果比較Fig. 8 Comparison between calculated and test acceleration time histories and Fourier spectra at each measuring point under SP-3 test condi

28、tion圖 9 各工況下地基土不同深度處峰值加速度的計算與試驗結(jié)果比較Fig. 9 Comparison between calculated and test acceleration amplification factors at points at different depths under different test conditions增刊 2黃 營，等. 可液化場地框架式地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗與數(shù)值模擬的對比分析 477圖 10 什邡八角波作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)不同部位動應變幅值Fig. 10 Strain amplitudes at different positions

29、of subway station structure under Shifang earthquake record3.3 車站結(jié)構(gòu)應變反應根據(jù)文獻9所得到的地鐵車站結(jié)構(gòu)不同位置處的動應變反應，選取相同位置處的測點，模擬得到各測點的應變反應，應變片的布置如圖 1（b）所示。圖10 給出了在什邡八角波作用下車站結(jié)構(gòu)不同部位應變幅值的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果；Taft 波和松潘波作用下的數(shù)值模擬和試驗結(jié)果與此基本相同，僅是數(shù)值大小的差異，由于篇幅有限，不再一一列出。試驗值和模擬值均表明，車站結(jié)構(gòu)各測點的應變幅值隨著臺面輸入峰值加速度的增大而增大，車站結(jié)構(gòu)中柱的應變幅值明顯大于結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的應變幅值，且

30、底層中柱的應變反應最大，結(jié)構(gòu)側(cè)墻的應變反應總體大于板的應變反應。 由圖 10 可見，在各工況下，各測點動應變的模擬值和試驗值在總體變化規(guī)律上具有較好的一致性，僅在數(shù)值大小上有差異。說明數(shù)值模擬能較好地模擬結(jié)構(gòu)的動力變形特性。 induced ground displacement and its relateddamage tolifeline facilitiesJ. Soils and Foundations, 1996, 36(1): 81 97.劉華北, 宋二祥. 可液化土中地鐵結(jié)構(gòu)的地震響應J. 巖土力學, 2005, 26(3): 381 391. (LIU Hua-bei, SO

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32、of underground structures during an earthquake excitationJ. J Tsinghua Univ(SciTech), 2005, 45(3): 301305. (in Chinese)PAOLO N, ROBERTO P, STEFANIA P, et al. Large scale soil- structure interaction experiments on sand under cyclic loadingC/ Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engi

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34、nference on Earthquake Engineering. New Zealand: NewZealand Society for Earthquake Engineering, 2000: 903.2344結(jié)語本文對可液化場地地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：數(shù)值模擬與振動臺模型試驗給出的地基土加速度反應和孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律、地鐵車站結(jié)構(gòu)的動應變變化規(guī)律基本一致，在數(shù)值大小上存在一些差異。這說明本文采用的計算模型可以較好地模擬土地鐵車站結(jié)構(gòu)的動力相互作用，地鐵車站結(jié)構(gòu)大型振動臺模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果可相互驗證其可靠性。 56 TAMARI

35、Y, TOWHATA I. Seismic soil-structure interaction of cross sections of flexible underground structures subjected to soil liquefactionJ. Soil and Foundation, 2003, 43(2): 69 87.參考文獻：1 HAMADA M, ISOYAMA R, WAKAMATSU K. Liquefaction4782013 年巖 土 工程 學 報 7, 張建民, 魏 星. 可液化土層中地下車站的地震反應分析J. 巖土工程學報, 2011, 33(10

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