塔樓結(jié)構(gòu)及其支護(hù)體系抗震性能分析

黃 華，何 山，柳明亮,2，薛春亮

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 2. 陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程逐漸加快，人口趨于飽和，城市空前擁擠，土地資源異常緊張，增加了建筑用地與道路交通之間的矛盾[1-2]。因此，城市快速路和地鐵等交通設(shè)施的建設(shè)不得不鄰近密集建筑區(qū)，不可避免地造成城市道路基坑與已建高層建筑毗鄰，道路基坑的施工不可避免地給周邊建筑物造成影響[3]。2008年汶川地震中出現(xiàn)大量支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而被支護(hù)建筑毀壞，使地震損失進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。因此，對(duì)鄰近基坑結(jié)構(gòu)及其支護(hù)體系在地震作用下的抗震性能和穩(wěn)定性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)因具有性能優(yōu)越、安全便捷、施工工期短且造價(jià)較低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基坑及邊坡工程的支護(hù)。Jewell等[5]歸納總結(jié)了位移法、壓力法、有限單元法等排樁的設(shè)計(jì)方法。Athmarajah等[6]提出設(shè)計(jì)和施工階段需要考慮的主要因素是樁式擋土墻的穩(wěn)定性，利用有限元軟件預(yù)測(cè)了基坑側(cè)壁變形，采用數(shù)值分析與理論計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)有超載作用的樁式擋土墻進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。蔣沖等[7]建立了考慮樁基礎(chǔ)樁側(cè)土壓力的力學(xué)及位移模型，研究隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)樁側(cè)土的阻力特性和考慮樁-土-基坑相互作用的界面粗糙系數(shù)。Wei等[8]對(duì)膨脹土地區(qū)樁式擋土墻抗滑樁變形進(jìn)行了分析，探討了影響抗滑樁變形的主要因素，結(jié)果表明膨脹力和樁的嵌固深度是影響膨脹土地區(qū)樁變形的主要因素。Tan等[9]基于傳統(tǒng)錨板樁結(jié)構(gòu)，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土高度，對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析。Carde[10]、Kahyaoglu等[11]、Ellis等[12]采用數(shù)值模擬的方法研究了樁間距和內(nèi)摩擦角對(duì)無黏性土中成排樁橫向響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁距大于8倍樁徑時(shí)，由于土拱效應(yīng)不明顯，作用在樁上的荷載隨樁距的增大而增大，當(dāng)相對(duì)位移超過1.2倍樁徑時(shí)，作用荷載達(dá)到最大值并保持不變。

Meyerhof[13]于1953年首次提出了一個(gè)綜合考慮結(jié)構(gòu)-土體相互作用的近似公式來估算框架結(jié)構(gòu)等效剛度。2011年，Padron等[14]提出了一個(gè)利用邊界法對(duì)樁、土和上部結(jié)構(gòu)直接建模的模擬方法，這區(qū)別于傳統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)法[15-18]，一定程度上推動(dòng)了樁-土-結(jié)構(gòu)相互影響動(dòng)力性能的研究。在過去50年中，對(duì)于樁-土-結(jié)構(gòu)共同作用已有較多研究，然而考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上部建筑動(dòng)力性能影響的研究還較為缺乏。上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其抗震性能，且國(guó)內(nèi)外對(duì)此均有較為深入的研究，然而僅考慮上部結(jié)構(gòu)本身的抗震性能而忽略支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其的影響，所得出的結(jié)果過于保守，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。Medina等[19]運(yùn)用Pardon提出的方法對(duì)21種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用時(shí)，地基土體剛度以及樁體類型是影響上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的主要因素。Nguyen等[20]基于ABAQUS分析了軟土地基下樁單元類型及大小對(duì)建筑物動(dòng)力性能的影響，結(jié)果表明端承樁與摩擦樁在傳力機(jī)理上有很大的差別，樁身長(zhǎng)度對(duì)建筑物動(dòng)力性能影響較大，長(zhǎng)樁與土體有更大的接觸面，可以吸收更多的能量。吳琦琪等[21]基于BIOS動(dòng)力方程，建立二維有限元分析程序，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明增加圍護(hù)樁樁長(zhǎng)及樁徑有利于提高上部結(jié)構(gòu)的抗震性能。吳賢國(guó)等[22]基于SUPER SAP分析發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)支護(hù)后其穩(wěn)定性、抗傾覆和抗滑移能力均得到了明顯提升。茜平一等[23]對(duì)深基坑支護(hù)后的高層建筑進(jìn)行分析，同樣得出此結(jié)論。

綜上所述，很多學(xué)者在抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理、變形機(jī)制等支護(hù)特性和在地震作用下的抗震性能等方面做了大量的研究，其研究成果為后人進(jìn)一步研究排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了有利條件。然而，目前鮮見針對(duì)鄰近開挖基坑的建筑物及其支護(hù)體系的抗震性能研究，超近基坑支護(hù)及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的抗震性能影響研究顯得尤為重要。本文基于后圍寨立交工程，研究超近道路基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震性能及其對(duì)鄰近某塔樓結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，為結(jié)構(gòu)及其超近基坑的支護(hù)抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程特征

1.1 工程概況

西安市某塔樓結(jié)構(gòu)為13層鋼筋混凝土塔，如圖1所示，設(shè)計(jì)等級(jí)一級(jí)。塔樓總高56 m，為正八邊形，邊長(zhǎng)約7 m?；A(chǔ)采用地梁加樁的形式，樁與上部結(jié)構(gòu)柱一一對(duì)應(yīng)，共計(jì)12根樁，樁長(zhǎng)12 m，樁徑1.0 m。塔樓鄰近后圍寨立交工程尚航路主線兩側(cè)輔道鐵路箱涵排樁擋墻工程，最近距離為3 m，屬于超近基坑，支護(hù)體系采用排樁擋墻，與道路基坑支護(hù)一起，總長(zhǎng)18.8 m，鋼筋混凝土排樁樁長(zhǎng)22 m，直徑1.2 m，間距1.5 m，如圖2，3所示。支護(hù)樁頂?shù)墓诹翰捎谜w結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在支護(hù)樁頂面澆筑了鋼筋混凝土“頂板”。擋墻外側(cè)安裝12 cm厚的鋼筋混凝土擋板。

1.2 工程地質(zhì)條件

2 結(jié)構(gòu)體系數(shù)值模型

2.1 模型建立

塔樓支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的數(shù)值模型由土體、支護(hù)樁和塔體組成，靜力分析模型如圖4所示。整體模型尺寸為21.6 m×31.5 m×32.5 m?；映叽绲葏?shù)依據(jù)工程實(shí)際參數(shù)設(shè)置，塔樓結(jié)構(gòu)自重等效為均布荷載，均勻分布在基礎(chǔ)上。支護(hù)體系頂部設(shè)置為自由邊界，前后限制法向位移，支護(hù)體系左右兩側(cè)采用黏彈性人工邊界[24]，在其底部輸入水平單向地震波。

2.2 土體本構(gòu)模型參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系，本構(gòu)參數(shù)根據(jù)工程勘測(cè)資料和監(jiān)測(cè)報(bào)告[25]得出，土層按地層巖性及物理力學(xué)性質(zhì)分為4層，主要由人工填土、第四系黃土、粉砂土和砂土組成。同時(shí)參考西安地區(qū)巖土體的物理力學(xué)經(jīng)驗(yàn)值，擬定數(shù)值模型的土體參數(shù)見表1。

2.3 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

塔樓模型中混凝土采用彌散開裂模型，鋼筋采用梁?jiǎn)卧约袄硐霃椝苄员緲?gòu)，彈性模量為2.0×105MPa，屈服強(qiáng)度為400 MPa。樁及冠梁視為彈性材料，采用C30混凝土，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN·m-3。

2.4 模型驗(yàn)證

分別提取基坑開挖過程中1#支護(hù)樁側(cè)向位移、冠梁側(cè)向位移、緊鄰基坑冠梁沉降變形的數(shù)值計(jì)算值。將其與監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析，如圖5所示，計(jì)算值所反映的變形趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)值較為吻合。誤差分析見表2～4，兩者誤差在可接受范圍內(nèi)。因此，模型可用作結(jié)構(gòu)受力分析。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震性能分析

3.1 地震波選取

依據(jù)場(chǎng)地條件，選取El Centro波、Tangshan波、北嶺地震LWD波3種水平向地震波，如圖6所示，El Centro波和LWD波的持續(xù)時(shí)間為30 s，Tangshan波為20 s，El Centro波、Tangshan波、LWD波加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)間分別為2.14，10.16，12.63 s。為使其滿足8度抗震設(shè)防烈度的要求，對(duì)所選的地震波進(jìn)行調(diào)幅處理。

表1 土體本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation Parameters of Constitutive Model for Soils

表2 1#樁(第3次開挖)側(cè)向位移誤差分析Table 2 Erroneous Analysis of Lateral Displacement of 1# Pile (Third Excavation)

表3 緊鄰基坑冠梁(第3次開挖)側(cè)向位移誤差分析Table 3 Erroneous Analysis of Lateral Displacement of Top Beam Adjacent to Foundation Pit (Third Excavation)

表4 緊鄰基坑冠梁(第3次開挖)沉降誤差分析Table 4 Erroneous Analysis of Settlement of Top Beam Adjacent to Foundation Pit (Third Excavation)

3.2 地震時(shí)程反應(yīng)

3.2.1 支護(hù)樁動(dòng)土壓力

在模型底部沿基坑開挖方向輸入水平單向El Centro波，峰值0.2g，對(duì)樁體峰值動(dòng)土壓力進(jìn)行分析。由圖7可知，在El Centro波作用下，支護(hù)樁上部懸臂端樁身側(cè)向土壓力沿樁體深度呈增大趨勢(shì)，峰值動(dòng)土壓力達(dá)到89.7 kPa，而在嵌固端峰值動(dòng)土壓力急劇減小。

3.2.2 支護(hù)樁位移分析

由圖8可知，隨高度增加，樁體側(cè)向動(dòng)位移呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增加速度隨著樁身高度的增加呈先增大后緩和的趨勢(shì)，其最大值出現(xiàn)在樁頂位置。

由圖9可知：在0～5 s內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體位移在初始平衡位置往復(fù)振動(dòng)；在5～30 s時(shí)域內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在地震作用下位移急劇增大。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[26]規(guī)定，樁頂水平位移允許值以位移控制時(shí)取10 mm。當(dāng)時(shí)間t=20 s時(shí)，排樁指向基坑方向的側(cè)向位移累計(jì)增大到10 mm，超過規(guī)范規(guī)定的位移允許值，這時(shí)需要采取相應(yīng)措施對(duì)基坑進(jìn)行加固以保證基坑的安全。

3.2.3 支護(hù)樁整體位移分析

根據(jù)圖6所示El Centro波加速度時(shí)程曲線，選取2.14，4.84 s時(shí)刻具有代表性的正向加速度峰值，加速度幅值分別為1.96，1.41 m·s-2；選取2.46，4.50 s時(shí)刻負(fù)向加速度峰值，幅值分別為-1.51，-1.41 m·s-2。分別提取以上時(shí)刻的排樁位移云圖，如圖10所示。由圖10可知，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)整體位移呈現(xiàn)出中間大兩邊小的特點(diǎn)。隨著地震波作用時(shí)間的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸增大，這表明邊坡土體對(duì)樁體的擠壓因地震波而加大，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生朝基坑方向的側(cè)向位移。

3.2.4 基坑土體動(dòng)位移

基坑開挖全過程中，坑底土體向上隆起的位移是重要參數(shù)指標(biāo)。地震發(fā)生時(shí)，已開挖基坑底部的土體隆起位移過大，會(huì)對(duì)工程的安全以及基坑的穩(wěn)定性造成影響。為清晰表現(xiàn)土體隆起時(shí)間的變化趨勢(shì)，分別選取5，10，15，20 s時(shí)刻地震作用下的坑底位移進(jìn)行分析。由圖11可見，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)坑底位移變化較為明顯，地震波作用10 s時(shí)基坑隆起值相比于5 s時(shí)增加了75 mm，而在作用了20 s時(shí)其隆起值相比于10 s增加了133 mm，說明地震波作用對(duì)基底的土體隆起位移有很大影響。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50497—2019)[27]第8.0.4條規(guī)定，基坑隆起預(yù)警值為30～60 mm，當(dāng)超過預(yù)警值時(shí)應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施。根據(jù)計(jì)算，5 s時(shí)基坑隆起達(dá)到69 mm，超過了預(yù)警值，這時(shí)應(yīng)當(dāng)采取構(gòu)造措施以保證基坑隆起在安全的范圍內(nèi)。

3.3 地震動(dòng)參數(shù)的影響

3.3.1 地震波影響分析

按罕遇地震作用下的加速度幅值0.4g，分別輸入El Centro波、Tangshan波以及LWD波，以分析不同地震波對(duì)邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，研究罕遇地震下支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)。

如圖12(a)所示，不同地震波作用下，樁后動(dòng)土壓力沿樁身高度分布規(guī)律基本一致，且與靜力作用下的分布規(guī)律趨于一致，均呈先遞增后減小的變化趨勢(shì)。坡體的側(cè)向推力主要由樁嵌入巖體部分承受，因此樁后動(dòng)土壓力最大作用部位出現(xiàn)在嵌固端。隨著樁身高度的增加，作用在樁體上的坡體推力逐漸變小，從而導(dǎo)致樁后土壓力逐漸變小。不同地震波作用下的樁后峰值動(dòng)土壓力相差不大，同一樁身高度，在LWD波作用下的樁后土壓力略大于El Centro波和Tangshan波作用下的土壓力，其中樁體在Tangshan波作用下受到的樁后動(dòng)土壓力最小。

由圖12(b)可見，樁體所受峰值動(dòng)彎矩在不同地震波作用下變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)出沿樁身高度先增大后減小的變化規(guī)律，在樁身高度16 m處峰值動(dòng)彎矩達(dá)到最大。Tangshan波的峰值動(dòng)彎矩為28 200 kN·m，為三者之中的最大值，而El Centro波的峰值動(dòng)彎矩只有Tangshan波的73.4%，為20 700 kN·m，LWD波作用下樁體峰值動(dòng)彎矩達(dá)到了15 300 kN·m，為Tangshan波的54.3%。

3.3.2 地震波振幅影響分析

El Centro波小震、中震和大震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)見表5。樁后峰值動(dòng)土壓力影響曲線見圖13，樁身動(dòng)彎矩變化曲線見圖14。

由圖13可知：不同幅值下樁后峰值動(dòng)土壓力沿樁身高度變化趨勢(shì)都是先遞增后減小，呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的特點(diǎn)；隨地震波幅值逐漸增大，樁后動(dòng)土壓力也相應(yīng)增大；在樁身高度8 m的位置處樁后動(dòng)土壓力均取得最大值，由低到高依次為150.63，159.83，172.64 kPa，增長(zhǎng)趨勢(shì)在地震波幅值從0.1g增加到0.2g的過程中較為緩慢，而從0.2g到0.4g逐漸加快。

由圖14可以看出：不同地震波幅值作用下樁身動(dòng)彎矩沿樁身高度均呈先遞增后降低的趨勢(shì)；樁身高度16 m位置處不同幅值的樁后動(dòng)土壓力均取得最大，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ等?.1g時(shí)最大動(dòng)彎矩為6 200kN·m，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ翟黾拥?.2g和0.4g時(shí)，最大動(dòng)彎矩分別增加了3 900 kN·m和9 100 kN·m，漲幅逐漸增大，說明樁身彎矩受地震波幅值影響較大。

表5 各工況地震動(dòng)參數(shù)Table 5 Ground Motion Parameters of Different Cases

4 支護(hù)前后塔樓抗震性能分析

4.1 加速度分析

分別輸入小震、中震下El Centro波，提取塔樓的加速度時(shí)程曲線，主要樓層的加速度時(shí)程曲線見圖15，16?？梢钥闯觯核堑募铀俣确逯淀憫?yīng)在支護(hù)前與支護(hù)后變化趨勢(shì)略有不同，在小震作用下，支護(hù)后各層加速度峰值基本低于支護(hù)前，頂層分別為2.465，2.110 m·s-2，第7層分別為1.621，1.884 m·s-2，第1層分別為1.299，1.065 m·s-2。在中震作用下，頂層加速度峰值響應(yīng)在支護(hù)前后分別為5.018，4.435 m·s-2，第7層加速度峰值響應(yīng)分別為3.932，2.972 m·s-2，第1層加速度峰值響應(yīng)分別為1.544，2.140 m·s-2。

提取在8度設(shè)防烈度下支護(hù)前后塔樓各層加速度峰值放大系數(shù)，如圖17所示，支護(hù)前后變化趨勢(shì)基本一致。在不同地震峰值加速度下水平向加速度放大系數(shù)的變化趨勢(shì)趨于一致，先隨層數(shù)的增加呈遞增趨勢(shì)，在第6層出現(xiàn)降低趨勢(shì)，第9層開始加速度放大系數(shù)明顯增加，峰值出現(xiàn)在頂層。樓層相同的情況下，大震作用下的加速度放大系數(shù)最大，達(dá)到了3.35。

4.2 塔樓水平位移分析

計(jì)算分析得到支護(hù)前與支護(hù)后塔樓主要樓層的水平位移時(shí)程曲線，如圖18，19所示。由圖18，19可見，第1層、7層和頂層的水平位移變化趨勢(shì)基本一致，具有相同的響應(yīng)波形及位移峰值響應(yīng)時(shí)刻。支護(hù)后響應(yīng)波形及位移峰值響應(yīng)時(shí)刻與支護(hù)前相比有所不同，出現(xiàn)位移峰值的時(shí)刻不同步，各層頂最大位移值見表6。

由表6可知，支護(hù)前隨著層數(shù)的增加，塔樓的水平位移逐漸增加，在頂層時(shí)達(dá)到最大水平位移。支護(hù)前，塔樓的頂層水平位移在小震作用下為13.17 mm，在中震作用下為25.75 mm，在大震作用下為65.27 mm。支護(hù)后相應(yīng)樓層位移變化規(guī)律與支護(hù)前基本一致，同樣在頂層時(shí)達(dá)到最大位移。在小震作用下支護(hù)后的塔樓最大水平位移為10.96 mm，與支護(hù)前相比減小了2.21 mm；最大水平位移在中震作用下達(dá)到了27.93 mm，與支護(hù)前相比增大了2.18 mm；最大水平位移在大震作用下達(dá)到了42.64 mm，與支護(hù)前相比減小了22.63 mm。

4.3 塔樓抗震性能評(píng)估

整理塔樓各層水平位移數(shù)據(jù)并計(jì)算出塔的層間位移角θ，見圖20。最大層間位移角見表7。由圖20可知，在地震作用下，隨著樓層的增加，支護(hù)前后塔樓的層間位移角呈遞增趨勢(shì)，而支護(hù)后增長(zhǎng)速度較支護(hù)前呈放緩趨勢(shì)，頂層的層間位移角最大。結(jié)構(gòu)支護(hù)后，塔樓的水平位移減小，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)塔樓穩(wěn)定性起到了明顯的加強(qiáng)。

表6 各層頂最大位移Table 6 Maximum Displacement of Each Floor Top

由表7可知：8度設(shè)防烈度下，塔在小震作用下最大層間位移角為1/418，支護(hù)后為1/420；在中震作用下最大層間位移角為1/208，支護(hù)后為1/241；在大震作用下最大層間位移角為1/100，支護(hù)后為1/100，最大值均出現(xiàn)在頂層，支護(hù)后塔的層間位移角略有減小，可以看出排樁擋墻對(duì)塔樓起到了良好的支護(hù)效果。

表7 支護(hù)前后8度設(shè)防烈度下位移角Table 7 Displacement Angle Under Octave Fortification Intensity Before and After Support

5 結(jié) 語

(1)在地震作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移可以劃分為2個(gè)時(shí)間段：0 s≤t≤5 s，在初始平衡位置的往復(fù)振動(dòng)時(shí)域；5 s

(2)在不同地震波頻譜作用下，沿樁身高度分布的樁后動(dòng)土壓力分布規(guī)律基本一致，呈先遞增后減小的凸形分布規(guī)律，峰值動(dòng)彎矩在樁身16 m高度處達(dá)到最大，其中Tangshan波的峰值動(dòng)彎矩最大，為28 200 kN·m，El Centro波的峰值動(dòng)彎矩為20 700 kN·m，只達(dá)到了Tangshan波的73.4%，LWD波的峰值動(dòng)彎矩為15 300 kN·m，只達(dá)到了Tangshan波的54.3%。

(3)峰值動(dòng)彎矩出現(xiàn)在樁身高度為16 m處，地震波幅值為0.1g時(shí)最大動(dòng)彎矩為6 200 kN·m，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ底兓?.2g時(shí)，最大動(dòng)彎矩增加了3 900 kN·m，當(dāng)?shù)卣鸩ǚ底兓?.4g時(shí)，最大動(dòng)彎矩增加了9 100 kN·m，增長(zhǎng)幅度越來越大，說明地震幅值對(duì)樁身彎矩的影響比較大。

(4)8度設(shè)防烈度下，塔在小震作用下最大層間位移角均出現(xiàn)在頂層，支護(hù)后塔的層間位移角略有減小，可以看出排樁擋墻對(duì)塔樓起到了良好的支護(hù)效果。