某地鐵地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)的有限元分析,結(jié)構(gòu)工程論文振動(dòng)臺(tái)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(dòng)響應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。在試驗(yàn)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(yàn)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(jià)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(dāng)前在構(gòu)造－樁－土等振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中較多采用，在部分地下車站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中也有先例。由于當(dāng)前針對(duì)土箱參數(shù)對(duì)邊界效應(yīng)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(duì)邊界效應(yīng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為背景，以其土箱為對(duì)象，進(jìn)行有限元分析。地鐵車站振動(dòng)臺(tái)采用兩個(gè)一樣的鋼箱，鋼箱尺寸為〔長(zhǎng)〕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(shè)置一圈厚度為15cm的聚苯乙烯泡沫襯墊。角鋼采用B31梁?jiǎn)卧撓洳捎肧4R殼單元，內(nèi)襯墊采用C3D8R實(shí)體單元，土體采用C3D8R實(shí)體單元。網(wǎng)格劃分尺寸采用0.1m適應(yīng)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(yàn)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(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況一致，有限元模擬時(shí)假定土體底面與鋼箱底板和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)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(dòng)臺(tái)模擬成一塊質(zhì)量遠(yuǎn)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(shí)程。地震波選用常用地震波EI-Centro波、Kobe波和Lomaprieta波。地震動(dòng)方向?yàn)殇撏料溟L(zhǎng)邊方向的單向地震鼓勵(lì)?！緢D1略】建模經(jīng)過通過同時(shí)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(gè)有限元模型來進(jìn)行參數(shù)分析?！颈?】3土箱模型動(dòng)力特性3.1土箱自振頻率在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)經(jīng)過中，應(yīng)防止由于箱與土共振而對(duì)試驗(yàn)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(xiàn)[2][3][7]可知由試驗(yàn)測(cè)得的土箱阻尼比一般都小于5%，且地震動(dòng)作用下土體阻尼比一般在5%-25%之間。結(jié)合文獻(xiàn)[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(jì)算，可得瑞利阻尼系數(shù)。【1】【圖略】4模型參數(shù)變化對(duì)邊界效果的影響對(duì)于理想的邊界效應(yīng)，同深度土層的加速度時(shí)程是完全一致的。但是，現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中由于土箱的邊界影響，土體中同深度的點(diǎn)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(yīng)的好壞。邊界效應(yīng)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(yīng)的一項(xiàng)指標(biāo)，文中簡(jiǎn)稱峰值差率，進(jìn)而對(duì)參數(shù)變化產(chǎn)生的邊界效應(yīng)的影響情況作出判定。以下圖是鋼箱厚度為2mm時(shí)，土體部分特征點(diǎn)的加速度時(shí)程結(jié)果。限于篇幅，其他工況時(shí)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(shí)的固定邊界的峰值差率較5mm和8mm的大；改變內(nèi)襯材料時(shí)，三種地震波輸入結(jié)果表現(xiàn)不一致。當(dāng)輸入EI波并以橡膠作為內(nèi)襯時(shí)的固定邊界峰值差率比采用聚苯乙烯泡沫時(shí)小，但差異較小，兩者基本一致，當(dāng)輸入L波時(shí)情況相反。當(dāng)輸入K波時(shí)，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(shí)，固定邊界峰值差率總體趨勢(shì)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(shí)，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(shí)，總趨勢(shì)呈現(xiàn)隨鋼箱剛度的增大而減小；改變內(nèi)襯材料時(shí)，輸入EI波工況下，對(duì)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(shí)，輸入EI波和L波工況下，對(duì)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(shì)，而在中心向邊界延伸的某個(gè)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(shí)，輸入EI波工況下，對(duì)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??；改變內(nèi)襯材料時(shí)，輸入EI波和K波工況下，對(duì)于頂層土的柔性邊界峰值差率采用橡膠為內(nèi)襯時(shí)稍大于聚苯乙烯泡沫。輸入L波時(shí)，采用橡膠的情況峰值差率較?。桓淖儍?nèi)襯厚度時(shí)，輸入EI波工況下，對(duì)于頂層土，靠近土體中心時(shí)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(gè)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(shí)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(gè)位置以外情況相反。4.4中層土滑動(dòng)邊界峰值差率改變鋼板厚度時(shí)，輸入三種地震波時(shí)，對(duì)于中層土，側(cè)向滑動(dòng)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(shí)，輸入EI波工況下，對(duì)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(dòng)邊界峰值差率相對(duì)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(shí)，橡膠的峰值差率比擬?。桓淖儍?nèi)襯厚度時(shí)，輸入EI波工況下，對(duì)于中層土，側(cè)向滑動(dòng)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(shí)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(dòng)邊界峰值差率改變鋼板厚度時(shí)，輸入三種地震動(dòng)，對(duì)于頂層土，側(cè)向滑動(dòng)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(shí)，輸入EI波工況下，對(duì)于頂層土側(cè)向滑動(dòng)邊界峰值差率差異較小，對(duì)于K波和L波，橡膠材料的峰值差率相對(duì)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(duì)于頂層土，側(cè)向滑動(dòng)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(shí)的滑動(dòng)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(gè)位置以外情況相反。由表可知，采用剛性土箱作為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)盛土容器時(shí)，采用剛度較大的土箱是必要的，能夠在多種地震動(dòng)工況作用下改善土體大部分邊界效果，而對(duì)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(yīng)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(dòng)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(duì)鋼土箱邊界效應(yīng)的影響作用。主要結(jié)論如下：(1)增大剛性土箱的剛度對(duì)于改善固定邊界效應(yīng)、柔性邊界效應(yīng)、中層土的滑動(dòng)邊界效應(yīng)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(duì)于改善滑動(dòng)邊界效應(yīng)、柔性邊界效應(yīng)有一定作用；(3)增大內(nèi)襯厚度采對(duì)于改善頂層土邊界效應(yīng)、底層土固定邊界效應(yīng)較為有利，而對(duì)于柔性邊界效應(yīng)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(yīng)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(duì)邊界效應(yīng)的影響作用的講明過于簡(jiǎn)單籠統(tǒng)。本文對(duì)鋼箱剛度、內(nèi)襯材料、內(nèi)襯厚度進(jìn)行參數(shù)分析，得到了較為具體的土體邊界效應(yīng)影響結(jié)論，為不同構(gòu)造的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)提供了參考根據(jù)，為改善試驗(yàn)效果提供參考。以下為參考文獻(xiàn)：[1]徐炳偉，姜忻良.大型復(fù)雜構(gòu)造－樁－土振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)土箱設(shè)計(jì)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào).2018.43(10):912-918.[2]伍小平，孫利民等.振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)用層狀剪切變形土箱的研制[J].同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