某地鐵地下結(jié)構(gòu)振動臺的有限元分析,結(jié)構(gòu)工程論文

某地鐵地下結(jié)構(gòu)振動臺的有限元分析,結(jié)構(gòu)工程論文振動臺作為一種廣泛而有效地模擬地下構(gòu)造和樁－土互相作用等地震動響應的試驗設備。在試驗經(jīng)過中需要用到盛土的容器土箱。土箱的邊界條件是影響試驗效果的關(guān)鍵因素。常用的土箱能夠分為三類：柔性箱、剛性箱和剪切盒式土箱,形狀常采用，矩形和圓形。剪切盒式土箱邊界效果較好，但制作難度較大，造價較高；柔性土箱承受荷載能力有限，而剛性土箱較易制作，且能夠承受較大荷載，在土域范圍較大的條件下不失為一種可行的方式方法。當前在構(gòu)造－樁－土等振動臺試驗中較多采用，在部分地下車站振動臺試驗中也有先例。由于當前針對土箱參數(shù)對邊界效應影響的研究較少，本文試圖從有限元分析的角度，說明剛性土箱參數(shù)變化對邊界效應的影響作用。2土箱模型尺寸和有限元建模以某地鐵地下構(gòu)造振動臺試驗為背景，以其土箱為對象，進行有限元分析。地鐵車站振動臺采用兩個一樣的鋼箱，鋼箱尺寸為〔長〕2.65m〔寬〕2.2m〔高〕1.2m，上端開口，底板厚度為15mm，鋼壁鋼板厚度為5mm，四周采用8cm8cm，厚5mm的等邊角鋼加固。角鋼布置如此圖1〔b〕所示。箱內(nèi)盛土，土與鋼箱壁之間設置一圈厚度為15cm的聚苯乙烯泡沫襯墊。角鋼采用B31梁單元，鋼箱采用S4R殼單元，內(nèi)襯墊采用C3D8R實體單元，土體采用C3D8R實體單元。網(wǎng)格劃分尺寸采用0.1m適應尺寸，如此圖1(a)所示。土體與泡沫之間采用面與面的摩擦接觸，摩按系數(shù)取0.2。在試驗中土體底面經(jīng)常采取措施增大底面摩擦力以使土體底面與振動臺運動情況一致，有限元模擬時假定土體底面與鋼箱底板和振動臺臺面完成黏結(jié)在一起，其他構(gòu)造物之間通過綁定約束固定在一起。采用大質(zhì)量法輸入地震波，將振動臺模擬成一塊質(zhì)量遠大于土－箱整體質(zhì)量的大質(zhì)量塊，取消其沿地震加速度方向的約束，施以加速度時程。地震波選用常用地震波EI-Centro波、Kobe波和Lomaprieta波。地震動方向為鋼土箱長邊方向的單向地震鼓勵。【圖1略】建模經(jīng)過通過同時變化鋼壁和角鋼厚度來改變鋼箱的剛度，厚度分別取2mm、5mm和8mm；材料分別采用常作為襯墊的聚苯乙烯泡沫和橡膠兩種材料；內(nèi)襯厚度變化分別選取10cm、12cm、15cm、18cm和20cm。通過建立多個有限元模型來進行參數(shù)分析?！颈?】3土箱模型動力特性3.1土箱自振頻率在振動臺試驗經(jīng)過中，應防止由于箱與土共振而對試驗結(jié)果產(chǎn)生的不利因素。因而，分別建立鋼箱模型和土－箱整體模型。由結(jié)果得：鋼箱的基頻為61.14Hz，而整體模型1階和30階的固有頻率分別為9.43Hz和10.17Hz。由此可知鋼箱的基頻與整體構(gòu)造前30階頻率相差6倍之多。因而鋼箱與整體模型可不考慮共振因素。3.2土箱阻尼根據(jù)文獻[2][3][7]可知由試驗測得的土箱阻尼比一般都小于5%，且地震動作用下土體阻尼比一般在5%-25%之間。結(jié)合文獻[8][9][10]考慮，合理假定本文采用土箱的鋼箱、土體的阻尼比分別為2%和8%。內(nèi)襯材料〔聚苯乙烯泡沫和橡膠〕阻尼較大，取10%。在ABAQUS有限元中采用瑞利阻尼。按(1)式計算，可得瑞利阻尼系數(shù)?！?】【圖略】4模型參數(shù)變化對邊界效果的影響對于理想的邊界效應，同深度土層的加速度時程是完全一致的。但是，現(xiàn)實試驗中由于土箱的邊界影響，土體中同深度的點加速度存在一定的差異，并且，這種差異能夠反映出邊界效應的好壞。邊界效應越大，這種差異也就越明顯。由此，本文提出峰值加速度差率的概念作為衡量邊界效應的一項指標，文中簡稱峰值差率，進而對參數(shù)變化產(chǎn)生的邊界效應的影響情況作出判定。以下圖是鋼箱厚度為2mm時，土體部分特征點的加速度時程結(jié)果。限于篇幅，其他工況時程結(jié)果本文省略。4.1底層土固定邊界峰值差率改變鋼箱剛度，鋼板厚度為2mm時的固定邊界的峰值差率較5mm和8mm的大；改變內(nèi)襯材料時，三種地震波輸入結(jié)果表現(xiàn)不一致。當輸入EI波并以橡膠作為內(nèi)襯時的固定邊界峰值差率比采用聚苯乙烯泡沫時小，但差異較小，兩者基本一致，當輸入L波時情況相反。當輸入K波時，兩種材料的固定邊界峰值差率處于同一水平；改變內(nèi)襯厚度，輸入三種地震波時，固定邊界峰值差率總體趨勢表現(xiàn)為隨著內(nèi)襯厚度的增加而減小。4.2中層土柔性邊界峰值差率改變鋼板厚度時，輸入EI波和K波，中層土體的柔性邊界的峰值差率隨鋼箱剛度的增大而減小，輸入L波時，總趨勢呈現(xiàn)隨鋼箱剛度的增大而減小；改變內(nèi)襯材料時，輸入EI波工況下，對于中層土，橡膠柔性邊界峰值差率較小，輸入K波工況下，峰值差率差異不大，輸入L波工況下，橡膠峰值差率主要部分比聚苯乙烯泡沫大；改變內(nèi)襯厚度時，輸入EI波和L波工況下，對于中層土的柔性邊界峰值差率靠近土體中心的土體表現(xiàn)出峰值差率隨內(nèi)襯厚度的增大而減小的趨勢，而在中心向邊界延伸的某個位置以外發(fā)生相反的變化情況。4.3頂層土柔性邊界峰值差率改變鋼板厚度時，輸入EI波工況下，對于頂層土，2mm板厚鋼箱柔性邊界峰值差率最大，5mm板厚鋼箱柔性邊界峰值差率最小。輸入L波工況下，峰值差率隨鋼板厚度減小而減小；改變內(nèi)襯材料時，輸入EI波和K波工況下，對于頂層土的柔性邊界峰值差率采用橡膠為內(nèi)襯時稍大于聚苯乙烯泡沫。輸入L波時，采用橡膠的情況峰值差率較小；改變內(nèi)襯厚度時，輸入EI波工況下，對于頂層土，靠近土體中心時的柔性邊界峰值差率隨內(nèi)襯厚度的增大而減小，在中心向邊界延伸的某個位置以外情況相反。輸入L波工況下，與EI波工況相反，靠近土體中心時的柔性邊界峰值差率隨內(nèi)襯厚度的增大而增大，在中心向邊界延伸的某個位置以外情況相反。4.4中層土滑動邊界峰值差率改變鋼板厚度時，輸入三種地震波時，對于中層土，側(cè)向滑動邊界峰值差率隨鋼板厚度的增大而減小；改變內(nèi)襯材料時，輸入EI波工況下，對于中層土，沿著土體中心向側(cè)向邊界連線橡膠的側(cè)向滑動邊界峰值差率相對于聚苯乙烯泡沫先大后小，如此圖(7d)所示。輸入K波和L波時，橡膠的峰值差率比擬小；改變內(nèi)襯厚度時，輸入EI波工況下，對于中層土，側(cè)向滑動邊界峰值差率隨內(nèi)襯厚度的增大而減小，輸入K波工況下，隨內(nèi)襯厚度的增大峰值差率增大，輸入L波工況下，峰值差率此時的變化情況與內(nèi)襯厚變化關(guān)系較不明顯。4.5頂層土滑動邊界峰值差率改變鋼板厚度時，輸入三種地震動，對于頂層土，側(cè)向滑動邊界峰值差率隨鋼箱剛度的增大而增大；改變內(nèi)襯材料時，輸入EI波工況下，對于頂層土側(cè)向滑動邊界峰值差率差異較小，對于K波和L波，橡膠材料的峰值差率相對于聚苯乙烯的大；改變內(nèi)襯厚度，輸入EI波和K波工況下，對于頂層土，側(cè)向滑動邊界峰值差率隨內(nèi)襯厚度的增大而減小，輸入L波工況下，靠近土體中心時的滑動邊界峰值差率隨內(nèi)襯厚度的增大而增大，在中心向邊界延伸的某個位置以外情況相反。由表可知，采用剛性土箱作為振動臺試驗盛土容器時，采用剛度較大的土箱是必要的，能夠在多種地震動工況作用下改善土體大部分邊界效果，而對于內(nèi)襯材料和厚度的選擇并非單一增大或減小參數(shù)就能起到改善邊界效應的效果，須根據(jù)構(gòu)造形式和構(gòu)造在土中的埋置方式等因從來確定土箱參數(shù)的選取?！颈?】5結(jié)論本文基于ABAQUS有限元分析軟件，在三種不同的地震動工況下，控制鋼土箱剛度、內(nèi)襯墊材料、內(nèi)襯墊厚度參數(shù)變化分析研究其對鋼土箱邊界效應的影響作用。主要結(jié)論如下：(1)增大剛性土箱的剛度對于改善固定邊界效應、柔性邊界效應、中層土的滑動邊界效應較為有利；(2)橡膠的彈性模量比聚苯乙烯泡沫大，采用橡膠作為內(nèi)襯材料對于改善滑動邊界效應、柔性邊界效應有一定作用；(3)增大內(nèi)襯厚度采對于改善頂層土邊界效應、底層土固定邊界效應較為有利，而對于柔性邊界效應的改善作用存在局限性;(4)內(nèi)襯材料和厚度的選擇并非單一增大或減小參數(shù)就能起到改善邊界效應的效果，須根據(jù)構(gòu)造形式和構(gòu)造在土中的埋置方式等因素而定；前人研究中關(guān)于鋼箱參數(shù)變化對邊界效應的影響作用的講明過于簡單籠統(tǒng)。本文對鋼箱剛度、內(nèi)襯材料、內(nèi)襯厚度進行參數(shù)分析，得到了較為具體的土體邊界效應影響結(jié)論，為不同構(gòu)造的振動臺試驗提供了參考根據(jù)，為改善試驗效果提供參考。以下為參考文獻：[1]徐炳偉，姜忻良.大型復雜構(gòu)造－樁－土振動臺模型試驗土箱設計[J].天津大學學報.2018.43(10):912-918.[2]伍小平，孫利民等.振動臺試驗用層狀剪切變形土箱的研制[J].同濟大學學報.2002.30(7):781-785.[3]楊林德，季倩倩等.地鐵車站構(gòu)造振動臺試驗中模型箱設計的研究[J].巖土工程學報.2004.26(1):75-78.[4]韓俊艷，杜修力等.土工振動臺試驗連續(xù)體模型箱的適用性研究[J].地震工程與工程振動.2020.33(2):200-208.[5]季倩倩.地鐵車站構(gòu)造振動臺模型試驗研究[D].上海：同濟大學.2002.6.[6]陳國興，左熹等.地鐵車站構(gòu)造大型振動臺試驗與數(shù)值模擬的比擬研究[J].地震工程與工程振動.2008.28(1).[7]陳國興，王志華等.振動臺試驗疊層剪切型土箱的研制[J].巖土工