边坡对地基—基础—上部结构相互作用的影响

武上坡

【摘 要】随着社会经济的发展，人口的不断增长，山区的建设与发展越来越重要。在山区的开发建设中，带边坡的地基成为了建筑的地基的主要形式之一。地基、基础、上部结构是一个有机的整体，三者相互联系，相互作用，相互影响，因此，研究带边坡的地基、基础、上部结构相互作用下的地震反应非常必要。本文采用ABAQUS有限元分析软件，研究了当地基边距不同时分析不同时，地基、基础、上部结构共同作用下的地震反应。

关键字：ABAQUS，边坡，地震相互作用，框架结构

引言

随着社会经济的发展，人口的不断增长，山区的建设与发展越来越重要。在山区的开发建设中，许多建筑物不可避免的建设在边坡之上，带边坡的地基成为了建筑地基的主要形式之一。我国又是一个多地震的国家，地震给我国社会经济以及人民的生命财产安全带来了巨大的灾害。

本文将边坡地基和抗震相结合，用ABAQUS有限元分析软件将边坡地基-基础-上部结构建立成一个整体模型，观察研究其在地震波的作用下的动力反应。本文所建模型为地下一层箱型基础，地上六层框架结构，梁柱板混凝土等级为C30，箱型基础混凝土强度等级为C30。

1.模型的建立

（1）材料本构模型

无论是岩土材料还是混凝土材料，其材料的本构特征都是十分复杂的，根据本文研究需求，假设上部结构和箱型基础在整个地震过程中均处于线弹性的状态、各向同性，弹性模量和泊松比根据混凝土取值。

岩土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，在ABAQUS中Mohr-Coulomb模型通过、和三个参数定义塑性变形的。本文采用较为保守的方法，令=0。岩土的弹性部分假设为各向同性的线弹性材料。

（2）单元的选取

上部结构、箱形基础和地基的有限元分析部分均采用C3D8R单元，由于该单元中心只有一个积分点，变形变得过于柔软，必须引入沙漏刚度以增强单元的刚度。

（3）接触问题

在整个模型中主要有两个接触对，一个是上部结构与箱形基础的接触，本文采用绑定接触法，这种接触适应能力强，接触面的应力应变较均匀，与现实情况也比较吻合。另一个是地基与箱形基础的接触，箱形基础和地基的接触包括法向和切向两部分。法向为硬接触，切向选择无摩擦的接触属性。

2.地震波的选取及调整

（1）地震波的选取

地震波的选取必须与相应的场地类别、设防烈度以及结构的弹塑性状态相适应，在不同的地震波的作用下，建筑结构的地震响应不同。

（2）地震波的调整

地震波的调整通常是对地震动强度、频谱特性和持续时间三要素调整。

1）地震动强度调整

地震波的调整方法：

2）地震动频谱特性的调整

地震动频谱特性的调整就是通过“拉长”与“缩短”实际地震记录的时间步长以改变其卓越周期，使其与相应场地条件的谱的特性相一致。

3）地震动持续时间的调整

所选取的地震动持续时间内必须包含地震动的最大幅值时间，时长一般为结构基本周期的5-10倍。

（4）监测点的选取

本结构箱型基础和上部框架结构为对称结构，在地震作用下受力对称，所以选择中间断面上的点作为监测点。

3.不同边坡距对框架加速度的影响分析

本文分别建立了边坡距为5m、15m和25m地基的模型，将Taft波幅值调整为多遇地震幅值0.55m/s2，作为外激励输入整个岩质地基与结构相互作用体系。对于各监测点加速度放大系数取整个地震过程中监测点的加速度绝对值最大值与输入地震动峰值的比值。

在Taft波作用下结构加速度放大系数

表1 不同位置加速度放大系数

监测点 5m 15m 25m

时间 放大系数 时间 放大系数 时间 放大系数

A 11.12 0.996 11.12 0.996 11.12 0.996

B 8.66 1.195 12.00 1.116 12.00 1.020

C 8.68 0.995 12.02 1.013 8.68 1.029

D 8.70 0.950 12.06 0.983 12.06 1.036

E 12.26 1.273 12.08 1.316 12.26 1.396

F 12.26 1.113 12.10 1.174 12.26 1.271

G 16.46 1.025 12.14 1.095 16.48 1.186

H 12.16 1.576 12.16 1.676 12.16 1.744

圖1 不同边距加速度放大系数图

由图1可以得出，加速度放大系数随高度变化较为明显的出现两个波峰，一个在箱基顶板监测点B，另一个在框架三层顶板监测点E，最大值在顶层楼板监测点H。在多遇地震幅值为0.55m/s2的Taft波的作用下，随着边坡距的增加，地下结构箱型基础的加速度放大系数逐步减小，上部结构的加速度放大系数逐步增大且趋于稳定，各个监测点变化趋势保持一致。

4.结语

边坡地基-基础-上部结构在地震作用下的相互作用的研究在很多工程中具有重要地位，因此研究其影响具有重大意义。本文分别建立了三个不同边距的地基-基础-上部结构的模型，分析得出在多遇地震幅值为0.55m/s2的Taft波的作用下，随着边坡距的增加，地下结构箱型基础的加速度放大系数逐步减小，上部结构的加速度放大系数逐步增大且趋于稳定，各个监测点变化趋势保持一致。

参考文献：

[1] 杨政.岩质边坡与上部结构相互作用的弹塑性分析[D].重庆大学硕士论文，1997.

[2] 廖振鹏.近场波动的数值模拟[J].力学进展，1997，27（2）：193-212.

[3] 庄茁，张帆，岑松，等.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005.

[4] 王玉镯，傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.