地震作用下的北京地层动力响应分析

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1、专业知识分享版【摘要】通过大型通用计算软件Ansys，采用平面动力有限元模型对北京天然地层进行了地震响应计算分析。针对北京地铁所处地层条件对该线路的天然地层进行水平地震、竖向地震和耦合地震作用分析，得出了三种加载方式下的水平位移、水平加速度、竖向位移以及竖向加速度沿深度方向的变化曲线规律，可供反应位移法中使用，同时也得出了地表在地震作用下的运动时程曲线规律。【关键词】地铁隧道地震分析1前言地下铁道是城市现代化交通工具，且是战时重要的人防工程。虽然地下工程结构有周围土体对变形位移的约束作用，使其在受震时所产生的振幅大为减少，受震害的程度较地面建筑为轻，但强震给地下结构带来的影响不容

2、忽视，这一点已被1995年日本阪神大地震所证实。日本这次地震使得地铁区间隧道及地铁车站受到严重破坏，甚至出现地铁车站完全倒塌的先例。地铁结构一旦发生破坏由于其修复困难，往往造成严重的经济损失，所以加强研究地下结构的抗震性能，对地下结构地震反应分析方法及减震措施提出响应的建议十分必要，本文将针对地震作用下的地层响应分析进行初步探讨。2工程简介北京地铁十号线是北京轨道交通路网中一条西北至东南的轨道交通半环线，线路经过海淀、朝阳、丰台三个行政区。线路起点在北京市西北海淀区的蓝靛厂，沿四环路、巴沟路、海淀南路、知春路、土城北路向东，斜穿城市东北角的太阳宫后沿东三环路一直向南，途经亮马河、

3、农展馆、京广中心、国贸、劲松等地区，在经过南三环分钟寺立交桥后，沿龙爪树路向南，再沿石榴庄路向西到丰台区宋家庄，并与五号线衔接。线路全长32.945km，其中地下线32.095km，路堑及地面线0.85km，全线共设车站28座，其中地面站一座，地下站27座。3有限元模型的确定3.1基本条件与假定在进行地下结构地震反应分析时，为了分析方便和尽可能地接近实际情况，本论文中采用如下基本假定：(1)将实际土层进行加权平均，按均质土层进行考虑；土是由水平方向无限伸展的薄层组成，符合平面应变的假定。(2)土介质为均质、各向同性体。(3)动力作用下满足位移协调的条件。(4)采用总应力分析方法，

4、不考虑孔隙水压变化和砂土地震液化的影响。3.2地震波的选取与调整3.2.1地震波的选取由于北京地区历史上没有发生过强度较大的有记载的地震记录，因此在进行时程分析时，需要考虑其他地区的地震资料。因为北京的地质资料与美国帝谷相似，所以本文中的计算采用1940年5月18日美国帝谷EI-Centro地震的加速度记录作为输入的地震荷载动频谱特征。该地震震级M=7.1，震中矩为50km，NS方向的最大加速度分量为3.417m/s2，持续时间30s，本文取其前15s进行计算。分析中采用对应于时间间隔△t=0.02s的加速度离散值作为输入地震动加速度频谱特征（表1）。3.2.2地震波的调整使命：

5、加速中国职业化进程联系电话：0755-86153458专业知识分享版北京地区地震设防烈度为8度，相应的地面峰值加速度为0.2g，见表1。因此需要将原始的美国帝谷EI-Centro波调整到北京地区地震设防烈度。本文将原始的NS加速度分量作为荷载加到计算模型(只有土而没有地下结构的模型)上，得出地表的加速度，并看其峰值加速度，与八度地震设防对应的地面峰值加速度相比，将原始NS加速度分量乘以一定的系数，再次加到模型上进行计算，使得地表峰值加速度为0.2g，以此来确定输入地震波的水平加速度。根据《水工建筑物抗震设计规范》可以知道，竖向加速度峰值取水平加速度峰值的2/3，而频谱特性不作改变

6、。将得到的地震波施加到有地下结构的计算模型上即可对地下结构进行动力分析。EI-Cen-tro波NS加速度时程曲线、调整好的水平加速度时程曲线以及竖向加速度时程曲线如图1、图2所示。3.3计算参数的确定3.3.1地层参数由于本文研究的是北京地铁的抗震问题，所以地层参数取实际的北京地质资料，是取自由北京市勘察设计研究院提供的北京地铁十号线的勘察报告。为了计算方便和更能明确地得出地层在地震作用下的反应情况，本文将每层土参数进行加权平均，得出整个土层各参数的平均值，即将土层简化为均质土层，取弹性模量为压缩模量的3~5倍，本文取4倍，得出最后的计算参数，如表2。3.3.2阻尼系数本文对土层

7、进行了模态分析，求出体系的前两阶振型，阻尼比的具体数值应通过试验获得。实验资料表明，土体的阻尼比一般在0.02~0.24之间变化，根据文献中的数据，本文将土体前两阶振型阻尼比取为=0.054，=0.05。由此计算可得阻尼系数α=0.069，β=0.035。3.4计算模型理论上讲，模型取得越大，计算结果就越准确，然而，实际计算中不可能取得特别大。在本文中为了减小误差，将模型宽度取为72m（约为结构的12.9倍）。现有的北京地层的地质资料大约到达84m，故模型取84m，并认为底部为基