摘要：采用ABAQUS建立了土与钢筋混凝土结构的相互作用体系分析模型，分析了在同一软夹层厚度，不同软夹层埋深场地上土结相互作用体系地震反应的影响，分析总结了软夹层埋深对建筑物地震反应的影响规律，给今后软夹层场地上建筑结构提供了几点抗震设计建议。
关键词：土结相互作用体系；软夹层埋深；地震反应
0 引言
地震作用下结构的地震反应与结构所处的场地条件有很大关系。场地条件是指场址区的工程地质条件，主要包括岩土的组成和性质，地形地貌、地质构造和水文地质条件等[1]。震害调查表明[2]，当建筑物处于含软夹层、含空洞、非均匀场地等复杂场地条件时，结构更易遭到破坏且不同场地条件上的建筑物震害差异明显。本文主要通过分析软夹层埋深对土结相互作用体系地震反应的影响，考虑含软夹层场地对上部结构地震反应的影响是近年来颇受关注的研究课题，研究这类场地上结构的地震动反应特性，对评价场地地基抗震性能、上部结构的地震反应分析以及加固措施的确定都有重要意义，目前主要采用应力波传播理论方法和数值分析来研究[3-5]。因此，为今后给含夹层场地上的建筑结构提供抗震设计建议，探究软夹层上对建筑物地震反应的影响规律十分必要。
1 计算模型及参数
上部结构选用十二层4×3跨的钢筋混凝土框架结构，层高3m，总高度36m，开间6m，进深为6m、3m、6m，基础选用平板式笩基。将楼板自重、板上荷载和填充墙荷载折算成线荷载施加在梁上，经计算线荷载大小为11KN/m。上部结构具体参数见表1，上部结构的材料本构采用ABAQUS PQ-Fiber纤维模型，通过在ABAQUS中调用用户材料子程序实现。本文考虑实际工程情况及简化计算，将三维土-框架结构体系简化成二维模型，如图1所示。
地基土采用Drucker-Prager弹塑性本构模型，模型边界采用无限元人工边界。土体厚为44m，水平范围取10倍筏板尺寸，即10×17m=170m，中间85m范围为有限元区域，中间85m以外的两侧为无限元区域，有限元区域土体用平面应变单元CPE4R单元模拟，无限元区域土体用平面应变单元CINPE4单元模拟，土层计算参数见表2。
在土-结构相互作用分析时，首先对地震波进行调幅，然后采用自编的MATLAB地震波反演程序将地震波反演至基岩，最后将地震波从基岩处输入。本文选用EL-Centro波，其持时为30s，时间步长为0.02s，反演得到的峰值加速度为0.113g，地震波加速度时程如图2。
表1 上部结构参数
表 2 土层参数
图1 土-结构相互作用体系二维分析模型
图2 输入地震波加速度时程
2 软夹层埋深对土结相互作用体系地震反应的影响
为研究同一软夹层厚度时，软夹层埋深对土结相互作用体系地震反应的影响，鉴于实际地质情况，选取了厚度为5m的软夹层来研究，软夹层埋深d分别取2m、4m、6m、10m、14m、18m、22m，共七种工况。计算分析结果如下：
2.1 软夹层埋深对体系自振频率的影响
表3所示为有模态分析得到的七种工况下SSI体系的前10阶自振频率。
表3 七种工况下体系的前10阶频率（单位：Hz）
从表3可知：软夹层在土层结构中的位置变化会改变土结构相互作用体系自振特性，软夹层厚度一定时，含软夹层场地上土结构相互作用体系的基本频率随软夹层埋深增加呈先增大后减小趋势。
2.2 软夹层埋深对框架位移的影响
图3给出了软夹层埋深分别为2m、4m、6m、10m、14m、18m、22m时，上部框架结构各层位移最大值。从图中可知：上部结构的顶层层位移随着软夹层埋深先增大后减小，其中埋深4m、6m条曲线几乎重合，且这两种情况下结构顶层位移最大为0.04m。
图3 结构各层最大位移
2.3 软夹层埋深对楼层最大加速度的影响
图5、图6分别为楼层最大加速度、加速度峰值放大系数（相对于d=2m情况）。从图中可以看出：相对于软夹层埋深为2m情况，软夹层埋深为4m、6m、10m、14m时，加速度峰值放大系数曲线呈凸形，加速度峰值在6层以下都有所减小，最大减幅为65.7%，6层以上加速度峰值增大，最大增幅为46.48% 。当埋深为18m和22m时，曲线位于零线下面，说明此时场地的减震作用显著。
图5 楼层最大加速度 图6加速度峰值放大系数
为研究软夹层埋深对结构顶点加速度反应谱的影响，提取了基岩波加速度时程及七种工况下结构顶点的加速度时程并对其归一化后得到加速度反应谱如图7所示。
图7 归一化后的加速度反应谱对比
由图7可知，结构顶点放大系数峰值比基岩要大，且卓越周期增大；软夹层厚度一定时，反应谱卓越周期随软夹层埋深增大而减小，而反应谱放大系数峰值随软夹层埋深增大呈先增大后减小趋势，当软夹层埋深为10m时放大系数峰值达到最大。
2.4 软夹层埋深对框架梁柱截面内力的影响
（1）软夹层埋深对框架柱剪力的影响
（a）左边柱 （b）左中柱
（c）右中柱 （d）右边柱
图8 柱截面剪力增大系数（%）
由图8可知，上部框架柱剪力增大系数曲线中基本上有一尖角，即剪力峰值所在点，主要位于第二层，柱截面剪力随软夹层埋深先增大后减小。对边柱而言，剪力峰值过后，剪力增大系数随楼层向上变化较平稳，逐渐呈现平台；对中柱而言，剪力峰值过后，剪力增大系数随楼层向上逐渐减小，直到顶层达到最小，最大减幅为79.94% 。
(2)软夹层埋深对框架柱轴力的影响
（a）左边柱 （b）左中柱
（c）右中柱 （d）右边柱
图9柱截面轴力增大系数（%）
由图9可知，左中柱和右中柱轴力增大系数基本上都在零线以上，曲线呈凹形，底部及顶部楼层柱轴力受软夹层埋深影响更大；而左边柱和右边柱轴力增大系数都在零线以下，底层边柱减幅较大，轴力增大系数随楼层向上变化不大。
综上可知，对于给定的地震动和峰值加速度水平，在下含软夹层场地上，软夹层埋深存在一临界值，当埋深超过临界值时，放大系数将小于0，场地的减震效果显著，且这个临界值不是固定的，与输入的地震动强度及特性有关。
3 结语
本文通过选取十二层4×3跨的钢筋混凝土框架结构作为研究对象，进行土与结构动力相互作用分析。主要分析了软夹层埋深对土结构相互作用体系地震反应的影响，通过分析，得出以下结论：
1、软夹层在土层结构中的位置变化会改变土结构相互作用体系自振特性，软夹层厚度一定时，含软夹层场地上土结构相互作用体系的基本频率随软夹层埋深增加呈先增大后减小趋势；
2、软夹层厚度一定时，反应谱卓越周期随软夹层埋深增大而减小，而反应谱放大系数峰值随软夹层埋深增大呈先增大后减小趋势，当软夹层埋深为10m时放大系数峰值达到最大；
3、对于给定的地震动和峰值加速度水平，在下含软夹层场地上，对于软夹层埋深，存在一临界值，当埋深超过临界值时，放大系数将小于0，场地的减震效果显著，且这个临界值不是固定的，与输入的地震动强度及特性有关。
参考文献：
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[2] 伟华，赵成刚，杜楠馨，等.软弱饱和土夹层对地铁车站地震响应的影响分析[J].岩土力学，2010，31（12）：3958-3963.
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论文作者:郭彬彬,邓继键
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：夹层论文; 加速度论文; 峰值论文; 结构论文; 系数论文; 相互作用论文; 剪力论文; 《基层建设》2018年第6期论文;