高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验分析

王妙灵, 王 浩

(重庆城市科技学院 建筑管理学院, 重庆 402167)

0 引言

高层建筑是现代城市建设的重要标志,同时也能够通过其反映一个城市的科技水平以及经济发展水平[1-3],并且它能够利用城市有限的土地资源发挥更大的利用空间[4]。随着国民经济的增长,生活水平也得到了提升,人们对建筑的外观和功能要求也在提升。我国现阶段已有的大部分高层建筑都处于综合发展时期,它方便为城市居民提供优越的生活环境以及工作条件。

地震造成的破坏范围广、危害大,使人类的生命安全受到威胁。在地震频发地区进行基坑施工时,有很大概率会遭遇到地震或强地震[5-6]。由于钢板桩支护、桩排支护、深层搅拌水泥桩支护等支撑结构处于保养期时抗震性能差,遭遇地震时会大概率被破坏,导致基坑坍塌,造成工程事故,严重时还会对工人的生命造成威胁[7-8]。为此,需对高层房屋建筑深基坑支护承压结构进行局部抗震性能测试,确保高层房屋建筑在遭遇地震时可有效保障人们的生命和财产安全。结合以上分析,提出高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验分析方法。通过试验获取基坑支护承压结构的地震位移数据,进而计算出高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震性能,为基坑施工在遭受地震后造成的工程破坏提供理论分析。

1 试验方法

1.1 有限元计算模型构建

本文对某高层房屋建筑深基坑工程进行试验研究。该基坑是长49.5 m、宽16.7 m的矩形,内支撑由2层钢管和790 mm厚的地下连续墙组合而成。由于场地附近既有建筑距离基坑位置较远,从而可以使试验的分析更加准确。采用Midas GTS有限元软件[9],分析高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震性能。其深基坑三维有限元模型如图1所示。

图1 深基坑三维有限元模型Fig.1 Three dimensional finite element model of deep foundation pit

设置深基坑三维有限元模型土体、混凝土支撑和地下连续墙的单元类型分别为:六面体单元类型、一维等参梁单元类型和二维等参板单元类型。土体利用Mohr-Coulomb本构模型,其中土层参数设置列于表1。

表1 土层参数设置Table 1 Setting of soil parameters

计算时模型四周边界条件设置为静态阻尼边界。研究工程建设有关的地质条件有风化泥岩、黏性土以及砂卵石。其基坑土层物理力学性质指标列于表2。

表2 基坑土层物理力学性质指标Table 2 Physical and mechanical properties of foundation pit soil

由于该区地下水埋深较大,因此可以忽略地下水对试验的影响。选取地震烈度为8度时的地面运动加速度，其值为0.18g,深基坑为10 m,地下连续墙入土深度在10～20 m内。

1.2 振动台模型试验

本次试验采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的型号为R-9000ZD的小型振动台。振动台尺寸长为497 mm,宽为298 mm,振动荷载水平方向和竖直方向的最大值分别为27 kg和2.3 kg。本文主要考虑建筑结构构件和可变荷载的地震效应,以及原始振动台尺寸和螺栓孔位问题[10],依据振动台尺寸、荷载量程和基坑深度,振动模型试验箱采用1∶100比例进行设计,长、宽和高依次为255 mm、215 mm及215 mm,外框采用1.2 cm厚度木工板,里面还需要按一定比例填充黏性土、砂卵石、风化泥岩,采用水平振动方式。

深基坑支护承压结构模型采用厚0.55 cm、长21 cm、宽18 cm,深度分别为13 cm、15 cm、17 cm和18 cm的有机玻璃板,对深基坑入土深度进行模拟。为模拟内撑支护对地下连续墙的作用,内撑支护模型采用直径为4.5 mm、长为14.5 cm的钢筋进行模拟。为防止刚度大导致变形微小而无法采集到有用数值,需要在钢筋的每一端用相同刚度的压簧来对钢筋使用作用力,增大钢筋变形来进行有效的测量。

1.3 地震波输入

对高层房屋建筑深基坑支护承压结构模型的抗震性进行测量,选取El-Centro地震波[11]加速度峰值依次为0.4g、0.5g和0.6g。通过地震模拟振动台模型可测算出高层房屋建筑深基坑支护承压结构地震时的动力响应。El-Centro地震波的时程和加速度如图2所示。

图2 地震波Fig.2 Seismic wave

1.4 抗震性能计算

反应谱主要是指单一的质点体系在地震作用不断增加的状态下,获取能够实时反映高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性变化曲线,该曲线也代表阻尼比的函数[12]。其中地震发生的场地、地震等级大小等相关影响因素都会对上述曲线产生不同程度的影响,表示为:

α=[η20.2r-η1(T-5Tg)]αmax

(1)

式中:α代表地震影响系数;αmax代表地震影响系数的最大取值;Tg代表特征周期;T代表高层房屋建筑深基坑支护承压结构的自振周期;η1表示线性斜率常数;η2表示阻尼常数;γ表示衰减常数。

利用振型分解反应谱法[13]计算高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震性能。计算过程重点通过振型分解原理以及单自由度体系反应谱对不同等级的地震反应进行分析。

通过式(2)可以计算出i质点j振型水平地震作用的标准值:

Fij=αjγjφjiGi, (i,j=1,2,…,n)

(2)

式中:Fij表示i质点j振型的水平作用力;αj表示当质点为i时应选取的地震影响常数;Gi表示i质点的重力载荷代表值;φji表示i质点j振型的水平相对位移;γj表示j振型的参与常数。

对高层房屋建筑深基坑支护承压结构计算过程中不考虑其他外界影响因素时,能够获取十分满意的分析结果。结构动力分析主要研究高层房屋建筑深基坑支护承压结构在载荷作用下的响应,其中结构体系的运动方程能够表示为:

{F(t)}=[M]+[C]+[K]

(3)

式中:[M]表示质点的质量矩阵;[C]表示阻尼矩阵;[K]表示节点刚度矩阵。

在动力有限元方法中,组建质量矩阵的方法主要包括以下几方面:

(1) 将全部质量进行汇总,汇总后将其放置在一个节点上面,组建对角集中质量矩阵。

(2) 通过能量原理计算各个单元的质量参与系数,形成对应的质量矩阵。

高层房屋建筑深基坑支护承压结构在地震的作用下会消耗一定的能量,一般情况下将这些被消耗的能量称为阻尼。

结合上述分析,高层房屋建筑深基坑支护承压结构通常情况下选用瑞利阻尼。根据振型阻尼比,计算单自由度振动体系的地震方程,获取位移以及加速度响应,实现高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性能测试。

2 试验结果与分析

2.1 不同施工阶段深基坑支护承压结构地震动力反应分析

在不同施工阶段,地震对深基坑支护承压结构影响不断变化。为了分析这种差异,在两种施工阶段,通过试验对深基坑工程分别测量地震动力反应特性。图3为深基坑分别开挖至5 m和10 m的模型。

图3 不同深基坑开挖阶段及支护模型Fig.3 Excavation stage and support model of different deep foundation pit

高层房屋建筑地下连续墙能够有效止水且具有较大的刚度,同时,在支护承压结构中以地下连续墙为主,因此当研究不同施工阶段的深基坑支护承压结构的抗震性能时,抗震性能测试对象选取为地下连续墙。基于地下连续墙深基坑模型,分别输入0.4g、0.5g及0.6g的地震时地面运动加速度,对比分析地下连续墙深基坑支护承压结构的地震动力反应特性。测量不同地震时地面运动加速度的地下连续墙侧向位移(图4)。

图4 不同地震时地面运动加速度的地下连续墙侧向位移Fig.4 Lateral displacement of diaphragm wall with different ground motion accelerations

由图4可知,高层房屋建筑深基坑开挖深度分别为5 m和10 m两种施工阶段下,随着地震时地面运动加速度的增大,地下连续墙侧向位移均随地震时地面运动加速度增大而增大。当加速度分别为0.4g、0.5g和0.6g时,深基坑开挖达到5 m的最大地下连续墙侧向位移依次为100 mm、161.1 mm及208.3 mm,而深基坑开挖达到10 m的最大地下连续墙侧向位移依次为149.8 mm、276.3 mm及392.5 mm。由此可知,当深基坑在相同地震时地面运动加速度影响下,10 m开挖深度要高于5 m开挖深度时的地下连续墙侧向位移,即在相同地震时地面运动加速度影响下,地下连续墙侧向位移随深基坑开挖深度增加而增大。随着深基坑开挖深度增加,高层房屋建筑深基坑支护承压结构抗震稳定性越差,支护承压结构容易发生损毁,对高层房屋建筑安全造成极大的影响。

2.2 不同插入比地下连续墙深基坑支护承压结构地震稳定性分析

插入比指的是地下连续墙基坑底部以下的深度与基坑开挖深度的比值。其计算公式为:

(4)

式中:λ表示为插入比;γ表示为地下连续墙基坑底部以下的深度;δ表示为地下连续墙基坑开挖深度。

分别对地下连续墙入土深度取13 cm、15 cm、17 cm和18 cm建立深基坑有限元模型。采用地震模拟振动台对该模型输入0.4g、0.5g及0.6g的地震时地面运动的加速度,依次选取0.2、0.4、0.6及0.8的插入比,对比分析不同插入比地下连续墙深基坑支护承压结构地震稳定性。

分别取离坑底0 cm、5 cm和10 cm位置的加速度值,并针对不同插入比进行比较分析后得到不同地震加速度下放大系数对比结果(图5)。

图5 不同插入比在不同地震时地面运动加速度作用下加速度放大系数Fig.5 Acceleration amplification factor of different insertion ratios under different ground motion accelerations

根据图5可知,当插入比相同时随着地震时地面运动加速度的增大,地下连续墙最大加速度值均明显提高。加速度放大系数随着深基坑底部到顶部的增加而变大,地下连续墙顶部位置加速度值最大。

同样位置下,加速度放大系数随着插入比增加而减小。当地震时地面运动加速度为0.4g,距离为10 cm时,插入比为0.2的加速度放大系数为1.72,插入比为0.4时为1.6,插入比为0.6时为1.51,插入比为0.8时为1.45。由此可知,深基坑支护承压结构的动力稳定性随插入比增大而增强,使得高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震性能有所提高。因此,在实际工程中,尤其是地震频发区,在设计高层房屋建筑时可以适当地增加地下连续墙入土深度,以此降低地震对高层房屋建筑深基坑工程的影响。

2.3 不同地震烈度对深基坑支护承压结构位移的影响分析

高层房屋建筑深基坑整体尺寸较大,促使其变形也较大,因此分析深基坑支护承压结构时需要考虑非线性因素的影响。抗震设防烈度分别选取6度和7度,查询后可知二者水平地震最大影响系数分别为0.05g和0.10g。图6为不同地震烈度对深基坑支护承压结构位移的影响对比。

图6 不同地震烈度对深基坑支护承压结构位移的影响对比Fig.6 Comparison between the effects of different seismic intensities on the displacement of support structures in the deep foundation pit

由图6可知,当水平地震最大影响系数为0.05g时深基坑支护承压结构位移的最大时程在原点附近。当时间到达10 s时位移达到最大值为0.04 m;10 s后位移数值逐渐减小;当时间到达35 s后,位移几乎接近于0。说明高层房屋建筑深基坑中土体主要以弹性变形为主。当水平地震最大影响系数为0.10g时,在10 s前,深基坑支护承压结构没有明显位移;但时间在10 s后,深基坑支护承压结构的位移逐渐增大。说明10 s后深基坑中土体发生大规模不可恢复的变形。由此可知,地震烈度随水平地震最大影响系数增大而增加,深基坑支护承压结构的抗震稳定性降低。

3 结语

本文通过构建高层房屋建筑深基坑支护承压结构有限元计算模型,利用地震模拟振动台分析高层房屋建筑深基坑支护承压结构抗震性能。测试结果如下:

(1) 高层房屋建筑深基坑开挖深度与支护承压结构的抗震稳定性成反比,支护承压结构容易发生损毁,对高层房屋建筑安全造成极大的影响。

(2) 插入比与高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震稳定性成正比,且增大插入比可有效提高深基坑支护承压结构的抗震性能。

(3) 地震烈度与高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震稳定性成反比,且当水平地震最大影响系数为0.10g时,高层房屋建筑深基坑中土体存在塑性变形。