場(chǎng)地類(lèi)別對(duì)裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

陶連金, 曹乾坤, 石 城, 丁 鵬

(1. 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部, 北京 100124; 2. 清華大學(xué)土木水利學(xué)院, 北京 100084)

0 引言

裝配式工藝近年來(lái)在建設(shè)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工藝，裝配式工藝可以大幅度縮短施工工期，減少現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生的污染，符合國(guó)家綠色發(fā)展的理念[1-2]。因此，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，裝配式工藝引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣，并逐步在地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)中得到推廣。國(guó)外有關(guān)裝配式地鐵車(chē)站的研究起步較早，例如： 俄羅斯的圣彼得堡地鐵車(chē)站以及明斯克地鐵車(chē)站采用了裝配式單拱結(jié)構(gòu)形式修建[3-4]。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展迅速，例如： 北京地鐵6號(hào)線(xiàn)西延線(xiàn)金安橋站采用整體裝配式結(jié)構(gòu)形式修建，節(jié)點(diǎn)采用套筒灌漿連接方法[5]；濟(jì)南軌道交通R1線(xiàn)演馬莊西站采用預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，采用明挖法進(jìn)行地鐵車(chē)站施工[6]。

長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線(xiàn)袁家店車(chē)站(現(xiàn)為雙峰站)是采用裝配式工藝建造的地鐵車(chē)站[7]，文獻(xiàn)[8-12]和文獻(xiàn)[13-14]分別對(duì)裝配式地鐵車(chē)站的整體性能與拼接接頭的性能進(jìn)行了研究。研究表明，裝配式地鐵車(chē)站整體性較好，接頭具有良好的力學(xué)性能，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的抗震性能基本相當(dāng)。根據(jù)現(xiàn)有研究可知，地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)與周?chē)馏w有密切關(guān)系，例如： 莊海洋等[15]通過(guò)研究現(xiàn)澆地鐵車(chē)站在不同場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)的層間位移、位移角及應(yīng)力反應(yīng)等，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地類(lèi)別會(huì)對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)產(chǎn)生影響。目前，針對(duì)裝配式地鐵車(chē)站地震響應(yīng)的研究多是在原場(chǎng)地土體條件或單一土體條件下進(jìn)行的，針對(duì)裝配式地鐵車(chē)站在不同場(chǎng)地條件下的地震響應(yīng)研究較少，有待進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)建立地層-裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)三維靜動(dòng)力耦合非線(xiàn)性有限元分析模型，考慮不同場(chǎng)地條件的影響，對(duì)裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性地震響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，分析結(jié)構(gòu)的變形特征、力學(xué)性能變化規(guī)律以及塑性損傷變化，歸納總結(jié)場(chǎng)地條件對(duì)裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 工程概況與場(chǎng)地類(lèi)別設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線(xiàn)裝配式車(chē)站為單拱大跨預(yù)制裝配式地鐵車(chē)站(簡(jiǎn)稱(chēng)裝配式車(chē)站)。裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)縱向單環(huán)寬度為2 m，每環(huán)由7塊共5類(lèi)預(yù)制構(gòu)件構(gòu)成，底板A塊、B塊(左側(cè)BL、右側(cè)BR)、側(cè)墻C塊(左側(cè)CL、右側(cè)CR)、頂拱D塊、E塊；中板、中柱在拼裝結(jié)束后現(xiàn)澆而成，每3環(huán)設(shè)置1根中柱。單環(huán)車(chē)站結(jié)構(gòu)透視圖如圖1所示。預(yù)制構(gòu)件之間采用榫槽式接頭連接，如圖2所示?？紤]到構(gòu)件輕量化的設(shè)計(jì)原則，構(gòu)件制作采用薄壁閉腔構(gòu)件的形式，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力的要求下可有效減小構(gòu)件質(zhì)量。為了便于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)頂拱D塊、E塊的關(guān)鍵部位命名，具體見(jiàn)圖1。

圖1 單環(huán)車(chē)站結(jié)構(gòu)透視圖

圖2 榫槽式接頭示意圖(以D塊、E塊為例)

1.2 場(chǎng)地類(lèi)別設(shè)計(jì)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]中將場(chǎng)地類(lèi)別劃分為4類(lèi)(Ⅰ—Ⅳ類(lèi))。Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地條件在現(xiàn)有城市地下地鐵車(chē)站的建設(shè)中較少遇到；Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地條件的地基承載力較小，不滿(mǎn)足裝配式地鐵車(chē)站的建設(shè)要求。故為了研究場(chǎng)地條件對(duì)裝配式地鐵車(chē)站地震響應(yīng)的影響，本文通過(guò)保持覆蓋層厚度60 m不變，改變場(chǎng)地等效剪切波速(vse)，分別將Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件劃分為3個(gè)亞類(lèi)，共6種工程場(chǎng)地條件，各場(chǎng)地土體均簡(jiǎn)化為單一均質(zhì)土。設(shè)計(jì)的場(chǎng)地類(lèi)別見(jiàn)表1。表1示出了各類(lèi)別場(chǎng)地的等效剪切波速與覆蓋層厚度。場(chǎng)地土體使用表2中的土體參數(shù)，這些參數(shù)均取自實(shí)際場(chǎng)地勘察報(bào)告。

2 三維模型建立

2.1 有限元模型

本文以預(yù)制裝配式地鐵車(chē)站單環(huán)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]可知，地下結(jié)構(gòu)側(cè)壁與模型側(cè)人工邊界的距離不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)水平有效寬度的3倍。故為了消除邊界條件的影響，建立長(zhǎng)150 m、寬2 m、高60 m的三維有限元模型進(jìn)行非線(xiàn)性數(shù)值分析。裝配式地鐵車(chē)站模型尺寸見(jiàn)圖3，有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

表2 場(chǎng)地土體參數(shù)

圖3 裝配式地鐵車(chē)站模型尺寸(單位： m)

圖4 有限元計(jì)算模型

考慮到圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)裝配式接頭有明顯的約束作用，認(rèn)為裝配式接頭的性能受?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)影響較大，故本文僅考慮了存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的情況。裝配式結(jié)構(gòu)由7個(gè)預(yù)制構(gòu)件和2個(gè)后澆構(gòu)件組成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)由擋土墻與肥槽組成。土體簡(jiǎn)化為單一均質(zhì)土。為保證計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，裝配式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸取0.2 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸取0.5 m，土體網(wǎng)格尺寸取0.5～2.0 m，每個(gè)構(gòu)件任何尺寸方向上劃分的單元數(shù)都不少于2個(gè)。結(jié)構(gòu)中柱縱向間隔為6 m，采用彈性模量折減的方法(見(jiàn)式(1))將中柱等效到每一標(biāo)準(zhǔn)環(huán)中進(jìn)行建模。

E1I1=E2I2。

(1)

式中：E1、I1分別為折減前混凝土的彈性模量及中柱的截面抗彎剛度；E2、I2分別為折減后混凝土的彈性模量及等效縱墻的截面抗彎剛度，計(jì)算得出的折減后的中柱混凝土彈性模量為11.5 GPa。

模型中混凝土結(jié)構(gòu)與土體采用八結(jié)點(diǎn)線(xiàn)性六面體減縮積分單元(C3D8R)進(jìn)行離散，鋼筋采用三維二節(jié)點(diǎn)桁架單元(T2D3)進(jìn)行離散，共離散50 516個(gè)單元。

2.2 材料參數(shù)

場(chǎng)地土體采用理想線(xiàn)彈塑性本構(gòu)模型與Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，為反映土體的非線(xiàn)性，土體的剪切模量由通過(guò)等效線(xiàn)性化的方法計(jì)算得到的等效剪切模量代替[18]，場(chǎng)地土體參數(shù)見(jiàn)表2。軟件中采用的土體等效剪切模量使用式(2)中計(jì)算得到的彈性模量E代替。

E=2G(1+ν)。

(2)

式中：E為彈性模量；G為土體等效剪切模量，通過(guò)等效線(xiàn)性化的方法獲得；ν為泊松比。

同時(shí)，采用Rayleigh阻尼模擬土在循環(huán)動(dòng)荷載下的滯后性和非線(xiàn)性。Rayleigh阻尼矩陣C一般假定為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的組合，見(jiàn)式(3)。

C=a0M+a1K。

(3)

式中：M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；a0和a1為Rayleigh阻尼系數(shù)。

(4)

式中：ζ為阻尼比；ωi為場(chǎng)地第1階自振頻率；ωj為輸入地震動(dòng)的卓越頻率。

表3示出了計(jì)算模型的1階固有頻率與理論值。其中，理論值采用單一土層固有頻率f計(jì)算公式求得，見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：vs為土體的剪切波速；H為場(chǎng)地覆蓋層厚度。

由表3可知，計(jì)算模型的1階固有頻率與理論值差別較小，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

表3 計(jì)算模型1階固有頻率與理論值

混凝土材料使用混凝土塑性損傷本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，模型參數(shù)基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]中混凝土受壓及受拉本構(gòu)關(guān)系取值，壓縮剛度恢復(fù)參數(shù)取1，拉伸剛度恢復(fù)參數(shù)取0，具體參數(shù)見(jiàn)表4。其中，中柱采用按式(1)計(jì)算得到的等效彈性模量進(jìn)行建模；鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)模型，在計(jì)算過(guò)程中不考慮鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移，鋼筋參數(shù)見(jiàn)表5。

表4 混凝土材料參數(shù)

表5 鋼筋參數(shù)

2.3 接觸設(shè)置

模型中主要的接觸分為2類(lèi)： 第1類(lèi)為裝配式構(gòu)件之間的“混凝土-混凝土”接觸 (如D-E榫槽式接頭)；第2類(lèi)是裝配式結(jié)構(gòu)與土之間的“土-混凝土”接觸。上述2類(lèi)接觸均采用罰函數(shù)法模擬。在界面法向上，壓應(yīng)力通過(guò)接觸約束相互傳遞。切向上的剪應(yīng)力τcrit通過(guò)界面?zhèn)鬟f，并利用庫(kù)侖摩擦定律進(jìn)行模擬，可用式(6)表示。

τcrit=μp。

(6)

式中：p是界面上的法向接觸應(yīng)力；μ是界面的摩擦因數(shù)，根據(jù)榫槽式接頭性能試驗(yàn)以及相關(guān)研究[13-14]，“混凝土-混凝土”接觸面的摩擦因數(shù)取0.6，“土-混凝土”接觸面的摩擦因數(shù)取0.4。

2.4 地震動(dòng)輸入

模型邊界采用黏彈性人工邊界，將地震動(dòng)作用轉(zhuǎn)化為作用在人工邊界節(jié)點(diǎn)上的等效荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)波動(dòng)的模擬[20-21]。地震波采用具有不同頻譜特性的長(zhǎng)春人工波、El-Centro波和Kobe波作為基巖水平向輸入地震動(dòng)。長(zhǎng)春人工波取自實(shí)際場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，頻帶最寬且分布均勻，卓越頻率為2.39 Hz；El-Centro波為美國(guó)加州埃爾森特羅記錄的近場(chǎng)地震波，與長(zhǎng)春人工波相比，頻帶較窄，卓越頻率為1.46 Hz；Kobe波為神戶(hù)海洋氣象臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)記錄的近場(chǎng)地震波，頻帶最窄，低頻成分豐富，卓越頻率為1.45 Hz。3種地震波的主震頻率分布范圍是逐漸變窄的。計(jì)算結(jié)果表明，3種地震波作用下車(chē)站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律一致，只是反應(yīng)程度有所區(qū)別。因此，本文僅給出了基巖輸入長(zhǎng)春人工波時(shí)的計(jì)算分析結(jié)果。

在計(jì)算過(guò)程中，分別把各地震波的峰值加速度調(diào)整為0.1g、0.2g、0.4g作為基巖上輸入的水平地震動(dòng)。基巖輸入地震波持續(xù)時(shí)間為30 s。圖5—6分別示出了地震動(dòng)峰值加速度調(diào)整至0.1g時(shí)各地震波的時(shí)程曲線(xiàn)與對(duì)應(yīng)的傅氏譜。

(a) 長(zhǎng)春人工波時(shí)程曲線(xiàn) (b) El-Centro波時(shí)程曲線(xiàn) (c) Kobe波時(shí)程曲線(xiàn)

(a) 長(zhǎng)春人工波傅氏譜 (b) El-Centro波傅氏譜 (c) Kobe波傅氏譜

阿里不明白這些，只覺(jué)得好熱鬧，他不禁高興起來(lái)。拍著巴掌又蹦又跳地大聲唱：“阿里的弟弟過(guò)來(lái)了!阿里的爸爸過(guò)來(lái)了!”

圖6 地震動(dòng)峰值加速度調(diào)整至0.1g時(shí)各地震波的傅氏譜

Fig. 6 Fouriers spectra of each seismic wave when seismic peak acceleration is adjusted to 0.1g

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取拱頂位置與中柱正下方底板處的水平位移進(jìn)行研究。圖7示出了不同場(chǎng)地類(lèi)別以及不同基巖輸入地震動(dòng)峰值加速度(PBA)條件下裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)頂?shù)组g的最大相對(duì)水平位移。由圖可知： 1)當(dāng)PBA一定時(shí)，隨著土體剪切波速減小，結(jié)構(gòu)頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移逐漸增大，且隨著PBA增大，這種變化逐漸由線(xiàn)性轉(zhuǎn)換為非線(xiàn)性； 2)在相同場(chǎng)地類(lèi)別的條件下，隨著PBA增大，結(jié)構(gòu)頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移明顯增加。上述規(guī)律說(shuō)明，PBA對(duì)裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)頂?shù)组g相對(duì)水平位移的影響程度在不同場(chǎng)地類(lèi)別條件下明顯不同，場(chǎng)地條件越差，PBA對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)頂?shù)组g相對(duì)水平位移的影響就越強(qiáng)烈。這一規(guī)律應(yīng)該是由于地鐵周?chē)馏w的非線(xiàn)性動(dòng)力反應(yīng)以及結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性變形所造成的。

3.2 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)也是結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的一個(gè)重要方面。圖8示出了在輸入地震動(dòng)峰值加速度為0.2g時(shí)結(jié)構(gòu)頂?shù)装逄幖铀俣软憫?yīng)隨場(chǎng)地土體剪切波速的變化。由圖可知，當(dāng)場(chǎng)地條件由Ⅱ類(lèi)(250 m/s

(a) 頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移隨場(chǎng)地土體剪切波速的變化情況

(b) 頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移隨PBA的變化情況

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

參考已有靜力研究，裝配式車(chē)站結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)鍵位置主要為D、E塊的拱肩處和拱腰處，拱腰內(nèi)側(cè)(tD、tE)和拱肩外側(cè)(RD、RE)主要承受壓應(yīng)力，拱腰外側(cè)(TD、TE)與拱肩內(nèi)側(cè)(rD、rE)主要承受拉應(yīng)力，關(guān)鍵位置如圖9所示。圖10與圖11分別示出關(guān)鍵位置處的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。根據(jù)最大(小)主應(yīng)力值可以快速判斷結(jié)構(gòu)受拉(壓)最不利位置[22]。

圖8 結(jié)構(gòu)頂?shù)装逄幖铀俣软憫?yīng)(PBA=0.2g)

圖9 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置示意圖

由圖10可知： 1)在PBA相同時(shí)，頂拱關(guān)鍵位置處的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)隨場(chǎng)地土體剪切波速減小而增大； 2)在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下，部分位置應(yīng)力在達(dá)到或接近了混凝土的極限拉應(yīng)力(2.6 MPa)后不再增長(zhǎng)。這是由于場(chǎng)地條件較差時(shí)，土體對(duì)結(jié)構(gòu)的約束較弱，結(jié)構(gòu)變形增大進(jìn)而導(dǎo)致混凝土破壞。1)當(dāng)PBA為0.1g時(shí)，頂拱TD處(D塊拱腰外側(cè))最大主應(yīng)力在Ⅲ2類(lèi)場(chǎng)地條件下達(dá)到了極限拉應(yīng)力，其他位置在Ⅲ3類(lèi)場(chǎng)地條件下達(dá)到了極限拉應(yīng)力，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在此時(shí)出現(xiàn)了受拉損傷，進(jìn)入了彈塑性階段； 2)當(dāng)PBA增大到0.2g后，頂拱受到拉荷載的4個(gè)關(guān)鍵位置均在Ⅲ2類(lèi)場(chǎng)地條件下出現(xiàn)了塑性損傷； 3)當(dāng)PBA為0.4g時(shí)，TD處最大主應(yīng)力在Ⅲ1類(lèi)場(chǎng)地條件下達(dá)到了極限拉應(yīng)力，其他位置處的應(yīng)力也明顯增大。這說(shuō)明在同等場(chǎng)地條件下，PBA的增加使得結(jié)構(gòu)在同等條件下更易進(jìn)入塑性狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生不利影響。

由圖11可知，當(dāng)PBA=0.4g時(shí)，結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)隨著場(chǎng)地土體剪切波速減小而逐漸增大，但均未達(dá)到混凝土的極限壓應(yīng)力，說(shuō)明裝配式結(jié)構(gòu)在Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下頂拱關(guān)鍵位置處均未出現(xiàn)受壓損傷。

(a) PBA=0.1g

(b) PBA=0.2g

(c) PBA=0.4g

圖11 關(guān)鍵位置最小主應(yīng)力(PBA=0.4g)

綜上所述，裝配式結(jié)構(gòu)拱腰與拱肩受力較為集中，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。其中，在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件下，結(jié)構(gòu)基本不出現(xiàn)受拉損傷，處于彈性工作階段；在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下，結(jié)構(gòu)在地震時(shí)容易出現(xiàn)受拉損傷，進(jìn)入彈塑性工作階段。另外，結(jié)構(gòu)的受壓性能良好，在Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下均不會(huì)出現(xiàn)混凝土壓縮損傷。

3.4 榫槽式接頭張開(kāi)角

裝配式地鐵車(chē)站單環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)共設(shè)有7個(gè)榫槽接頭，在工程實(shí)際中D-E接頭上部為回填土，下部為車(chē)站內(nèi)部空間，是所有接頭中受力條件最差的，故僅研究該接頭的張開(kāi)角變化情況。根據(jù)相似定律與弧長(zhǎng)公式可以計(jì)算接頭的張開(kāi)角度，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖12，計(jì)算公式見(jiàn)式(7)—(8)。此外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在Ⅲ3場(chǎng)地條件下，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性變形，因此圖12中未給出Ⅲ3場(chǎng)地條件下接頭的張開(kāi)量。D-E接頭張開(kāi)角隨場(chǎng)地土體剪切波速的變化情況如圖13所示。

l1為接頭上部弧長(zhǎng)； r1為接頭上部旋轉(zhuǎn)半徑； θ1為接頭上部轉(zhuǎn)動(dòng)角度； l2為接頭下部弧長(zhǎng)； r2為接頭下部旋轉(zhuǎn)半徑； θ2為接頭下部轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

(7)

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圖13 D-E接頭張開(kāi)角隨場(chǎng)地土體剪切波速的變化情況

綜上所述，裝配式結(jié)構(gòu)D-E接頭的張開(kāi)角隨著場(chǎng)地土體剪切波速減小而增大，張開(kāi)角最大值處于較小范圍(<0.10°)，張開(kāi)量最大值為3.74 mm。根據(jù)楊秀仁[23]的研究，接頭張開(kāi)量為10 mm，拱頂埋深3～5 m，底板埋深20～22 m，地下水位按地面高度考慮時(shí)，接頭可承受1.0 MPa水壓。因此，推測(cè)接頭變形滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)防水的要求，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明接頭雖為裝配式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，但在地震作用時(shí)并不是控制結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素，且接頭可保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，對(duì)構(gòu)件間的連續(xù)傳力起到了重要作用。

3.5 結(jié)構(gòu)塑性損傷

由3.3節(jié)可知，裝配式結(jié)構(gòu)在Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下基本不出現(xiàn)受壓塑性損傷，故本文僅給出了PBA為0.4g時(shí)的裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)受拉損傷云圖，如圖14所示。當(dāng)損傷因子dt(或dc)=0時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)尚未進(jìn)入塑性狀態(tài)，即無(wú)損傷；當(dāng)損傷因子dt(或dc)>0時(shí)，混凝土開(kāi)始出現(xiàn)受拉(或受壓)損傷；當(dāng)dt(或dc)≥1時(shí)，混凝土完全被拉伸(或壓縮)破壞。

圖15示出了各工況下已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)的單元體積占裝配式結(jié)構(gòu)總體積的百分比。由圖可知，當(dāng)PBA為0.4g時(shí)，隨著場(chǎng)地土體剪切波速減小，混凝土的損傷體積和損傷區(qū)域明顯增加，且增長(zhǎng)速度越來(lái)越快。

在Ⅲ1類(lèi)場(chǎng)地條件下，首先在結(jié)構(gòu)D塊拱腰外側(cè)，B-C、C-D(E)接頭與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸位置出現(xiàn)受拉損傷，中板、中柱隨著結(jié)構(gòu)變形而出現(xiàn)塑性損傷。其中，B-C接頭附近出現(xiàn)的塑性區(qū)體積較大，這是因?yàn)锽-C接頭與C-D(E)接頭位于側(cè)墻兩端，水平地震時(shí)受到的剪力較大，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。C-D(E)接頭為單榫接頭，且僅C塊與圍護(hù)結(jié)構(gòu)互嵌，節(jié)點(diǎn)可以產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠吸收部分能量，故產(chǎn)生的塑性損傷較??；而B(niǎo)-C接頭為雙榫接頭，接頭剛度較大，且B塊、C塊均與圍護(hù)結(jié)構(gòu)互嵌，受?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)的約束較大，因而在節(jié)點(diǎn)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸的位置出現(xiàn)較多的塑性損傷。

在Ⅲ2類(lèi)場(chǎng)地條件下，除了在上述位置出現(xiàn)受拉損傷外，在E塊拱腰外側(cè)、拱肩內(nèi)側(cè)以及A塊上側(cè)也出現(xiàn)了受拉損傷，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷幾乎貫通截面。這是由于隨著場(chǎng)地土體剪切波速減小土體剪切模量減小，結(jié)構(gòu)受周?chē)馏w的約束減弱，兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向土體方向變形增大，拱腰及拱肩位置處均出現(xiàn)塑性損傷；同時(shí)，A塊由于受到下部土體擠壓及慣性力的作用，使其出現(xiàn)類(lèi)似簡(jiǎn)支梁的壓彎變形，在上部出現(xiàn)受拉損傷。

在Ⅲ3類(lèi)場(chǎng)地條件下，C-D(E)接頭附近的圍護(hù)結(jié)構(gòu)塑性區(qū)貫通，發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致D、E塊塑性區(qū)體積增大，結(jié)構(gòu)無(wú)法繼續(xù)保持完整性，推測(cè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。

圖15 結(jié)構(gòu)塑性區(qū)占比

綜上所述，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在地震全過(guò)程中出現(xiàn)了較大的塑性損傷，吸收了大部分能量，使得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)并未發(fā)生破壞，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件下，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)占比較小且分布零散，結(jié)構(gòu)整體剛度較好，基本處于彈性工作狀態(tài)。在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下，結(jié)構(gòu)拱腰、拱肩處依次進(jìn)入了塑性階段，且在Ⅲ3類(lèi)場(chǎng)地條件、PBA為0.4g時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，同時(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)幾乎貫通截面的塑性區(qū)，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能起到限制裝配式接頭的作用，故在該情況下應(yīng)謹(jǐn)慎使用裝配式結(jié)構(gòu)。

4 豎向地震動(dòng)的影響

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]，地震波豎向地震動(dòng)峰值加速度應(yīng)取水平向地震動(dòng)峰值加速度的2/3，因此選取PBA為0.4g、場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ2和Ⅲ22個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算?；鶐r輸入地震波持續(xù)時(shí)間為30 s。為了便于分析豎向地震動(dòng)對(duì)裝配式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響規(guī)律，將雙向地震動(dòng)作用下與單向水平地震動(dòng)作用下裝配式地鐵車(chē)站產(chǎn)生的地震動(dòng)特性值的差值除以后者所得值定義為豎向地震動(dòng)影響率。

表6示出了Ⅱ2、Ⅲ2類(lèi)場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移、頂拱關(guān)鍵位置處應(yīng)力、D-E接頭張開(kāi)角以及結(jié)構(gòu)塑性區(qū)體積的變化情況。由表可知，在Ⅱ2類(lèi)及Ⅲ2類(lèi)場(chǎng)地條件下，豎向地震動(dòng)影響率均為正值，裝配式車(chē)站受豎向地震動(dòng)的影響明顯。

表6 結(jié)構(gòu)各項(xiàng)地震響應(yīng)和豎向地震動(dòng)影響率

在Ⅱ2類(lèi)場(chǎng)地條件下，增加豎向地震動(dòng)使頂拱D塊拱腰外側(cè)位置處的應(yīng)力由2.18 MPa增長(zhǎng)到了2.55 MPa(已損傷)，這是由于頂拱下方?jīng)]有支撐，受豎向地震動(dòng)影響較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形顯著增大。塑性區(qū)體積由2.52 m3增長(zhǎng)到了5.84 m3，主要增長(zhǎng)位置為中柱上下端，說(shuō)明中柱受豎向地震動(dòng)影響較大。

在Ⅲ2類(lèi)場(chǎng)地條件下，頂拱D塊拱腰外側(cè)的應(yīng)力達(dá)到了混凝土極限拉應(yīng)力；塑性區(qū)體積由19.61 m3增長(zhǎng)到了20.74 m3，豎向地震動(dòng)影響率為5.87%，主要增長(zhǎng)位置為B-C接頭附近結(jié)構(gòu)，說(shuō)明增加豎向地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生了不利影響； D-E接頭張開(kāi)角的豎向地震動(dòng)影響率為38.55%，說(shuō)明D-E接頭上下沒(méi)有支撐，受豎向地震動(dòng)的影響較大，但張開(kāi)角仍處于較小范圍，再次驗(yàn)證了接頭的穩(wěn)定性和安全性。

綜上所述，在Ⅱ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下，增加豎向地震動(dòng)會(huì)使裝配式結(jié)構(gòu)的水平位移、應(yīng)力、接頭張開(kāi)角以及塑性區(qū)體積增大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮豎向地震動(dòng)的影響。

5 結(jié)論與討論

本文基于有限元軟件建立了裝配式地鐵車(chē)站單環(huán)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，根據(jù)規(guī)范劃分了6種場(chǎng)地條件，從結(jié)構(gòu)水平位移、結(jié)構(gòu)加速度、接頭張開(kāi)角、關(guān)鍵位置應(yīng)力及塑性變形等方面分析了裝配式地鐵車(chē)站單環(huán)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，得到了以下結(jié)論：

1)隨著場(chǎng)地土體剪切波速減小(從Ⅱ1類(lèi)場(chǎng)地條件到Ⅲ3類(lèi)場(chǎng)地條件)，裝配式結(jié)構(gòu)加速度減小，頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移、D-E接頭張開(kāi)角及拱腰與拱肩處的應(yīng)力逐漸增大，且頂?shù)组g最大相對(duì)水平位移與接頭張開(kāi)角的增幅逐漸增大。其中，接頭張開(kāi)角處于較小范圍，驗(yàn)證了接頭的穩(wěn)定性和安全性；拱腰與拱肩位置處的應(yīng)力在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下達(dá)到了混凝土極限拉應(yīng)力，出現(xiàn)了塑性損傷。

2)不同場(chǎng)地類(lèi)別下，裝配式結(jié)構(gòu)的塑性損傷特征不同。在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件下，裝配式結(jié)構(gòu)基本不出現(xiàn)塑性損傷；在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下，PBA為0.4g時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)的層間位移角(1/651)小于1/250，但由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及拱腰處出現(xiàn)貫通的塑性損傷，因此裝配式結(jié)構(gòu)不適宜繼續(xù)承載。

3)相比單向水平地震動(dòng)，增加豎向地震動(dòng)后會(huì)使裝配式結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、接頭張開(kāi)角及塑性損傷體積顯著增大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮豎向地震動(dòng)的影響。

4)在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件下，PBA為0.1g和0.2g時(shí)，裝配式結(jié)構(gòu)整體性較好，基本處于彈性工作狀態(tài)；在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下，且PBA較大時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作狀態(tài)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及拱腰、拱肩處的塑性區(qū)體積較大。故從抗震角度出發(fā)，認(rèn)為裝配式結(jié)構(gòu)在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件下較安全，在Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地條件下應(yīng)謹(jǐn)慎使用。