深基坑对现有钢筋混凝土框架结构的地震易损性

1、深基坑对现有钢筋混凝土框架结构的地震易损性摘要 本文将现有建筑的地震易损性对深基坑开挖的影响进行了研究。众所周知，由于深基坑开挖所引起的应力和应变导致周围的土壤领域发生了重大变化，引起的位移场可以修改现有建筑物的静态和动态响应。利用有限元模型来进行模拟一个真实的案例，其中考虑到几何，非线性土性质，活载和恒载，边界条件和土壤结构的相互作用，从而估计土体位移、钢筋混凝土框架体系对深基坑工程抗震性能的影响。考虑到一个重要的地震因素加速度，利用对钢筋混凝土框架结构的非线性动态响应，在前、后开挖的配置中进行了评价和比较，然后，通过不同的震害指数和层间位移角来估计地震易损性。关键词：地震易损性；深基坑；地

2、面位移；震害指数；土结构相互作用1. 引言 越来越多的城市活动导致在越来越多的时候，需要利用地下空间来进行有关附近建筑物的深基坑设计。其主要用于安装城市服务、交通基础设施、停车区或其他工程作业。开挖必然诱导他们周围的土壤和应力应变场发生显著变化，因此对相邻的结构和基础设施产生永久性位移，并有可能造成严重的破坏情形。估算开挖引起的水平位移和竖向位移可分两组方法：（1）经验（或半经验）的方法，（2）数值方法 。仅使用数值方法来模拟作为可变形的连续体-土壤（例如有限元模型），挖掘系统的项目特定特征可以通过考虑复杂的土 - 结构相互作用。它强调的是利用深基坑大的特点是统计其不确定性的影响，因而通过概率

3、或半概率分析提出基于可靠性的设计方法来估计结构的静态响应。 通过简单的利用深基坑开挖的影响来增加结构抗震建筑物的易损性。由于两种土的应力-应变变化不同，通过修改地震波传播方向，来引起地基的位移。在这个问题上，通过考虑本文提供了一个真实的案例研究：对于一个地铁站的那不勒斯（意大利）中心的实现。工作的主要目标包括评估深基坑开挖对相邻钢筋混凝土建筑的地震响应的影响。通过使用土工商业代码PLAXIS（由开发的Plaxis BV）对场地条件进行了建模，并考虑到几何，非线性土行为，活载和恒载，边界条件和土结构相互作用考虑到一个重要的地震因素加速度，利用对钢筋混凝土框架结构的非线性动态响应，在前、后开挖的配

4、置中进行了评价和比较，然后不同的震害指数和层间位移角的使用代码SAP2000来修改地震易损性。2. 钢筋混凝土结构震害指数参考现有钢筋混凝土结构的地震易损性指标。损伤指标一般分为局部或全局，累积或非累积。至于当地的指数，最简单的非累积损伤指标是指在弯曲，旋转或位移方面的延性需求。建议使用高能的方法来描述其他非线性响应的累积行为。考虑到损伤变量的运动延展性及其相应的限制值（最终单调延展性），从而将延性破坏指数定义为： （1）同样，考虑一个损伤变量的滞后延展性，其中EH是滞后能量，Fy和XY分别是弹性阻力和位移，以下能量伤害指数是由Mahin和Bertero定义的： （2）对于延性整体价值（方程（

5、1）和能量（方程（2）指标，通常是与正常极限状态相关的损伤变量，Park与Ang指数 26 被定义为： （3）两个指数在方程（3）中分别表示相关的位移/旋转需求能量（延展性指数）和滞回耗散能量（能量指数），系数，它被定义为模型降解参数组合值，取值范围在-0.3和1.2之间，平均值= 0.15根据实验测试28而变化。在表1.Park和Ang索引值和和损伤状态相关性中。表1.Park与Ang破坏索引值和损伤状态相关性损伤程度伤害描述DP.A.崩溃局部或整体倒塌1.0严重塑性铰节点区0.6÷1.0温和钢筋混凝土保护层驱逐,不稳定0.3÷0.6光宽裂缝模式0.0÷0.3与

6、全球的损伤指标不同，一般来说，它们是局部的损伤指数Di在结构各元素中的加权平均： （4） 取，其中参数i的损伤指数对应于元件“i”的重量。 在这项工作中，在Park与Ang指数方面，延性需求；相应的全球指数是评价估计其局部塑性铰和整体塑性铰。3. 问题的提出和方法对于深基坑开挖所引起的建筑物地震易损性的影响评估需要以下三个模型的部署：（1）岩土模型，要考虑到土壤层定义，其本构特性和岩土参数；（2）挖掘系统模型，这取决于开挖的几何特征和施工程序（即施工阶段和技术）；（3）钢筋混凝土体系的结构模型是受开挖所引起的位移场的影响，这取决于开挖的几何特征以及影响静态和动态行为框架系统的结构参数。定义一个

7、可靠的模型，利用现有建筑物基础前、后开挖的配置和深基坑开挖的影响来评估现有结构的地震易损性。在计算阶段，采用比较分析，可以总结如下：（1）通过非线性静力分析来考虑土壤结构相互作用，从而确认建筑物基础开挖和开挖后的预配置；（2）以土壤-结构系统的动态特性来定义他们的基本振动模式和瑞利阻尼系数；（3）在前、后开挖配置过程中所引起的土壤结构相互作用，是利用非线性动力学分析将一个重要参数加速度输入所进行的。其目的是在结构体系的基础层次评估开挖所引起的效应对输入信号中的土的应力应变行为修改；（4）通过在深基坑开挖引起的水平位移和竖向位移的基础上，考虑到前、后开挖配置相关的输入加速度评价结构体系的非线性地

8、震反应；（5）参照前、后开挖结构，评价震害指数和层间位移来量化对深基坑开挖的结构地震易损性的影响。4. 案例研究:有限元模型和非线性静态分析比较分析了一个案例研究:一个地下车站的设计,新的地铁线的一部分在那不勒斯(意大利)。项目预计在人口稠密的地区开挖一个大型露天基坑,采用现有钢筋混凝土框架。开挖的主要特点是:长方形坑的面积为23.6×85.5平方米；最大深度H为28米,50米深的t形截面的钢筋混凝土砂浆墙；开挖边远离钢筋混凝土建筑物16.5米(图1(a)和(b)。挖掘计划采用自上而下的方法，由两个厚度一样的钢筋混凝土板，分别支持在露天的永久性钢筋混凝土泥浆墙的顶部和底部，以及临时支

9、柱后来被钢筋混凝土壁永久取代（表2）。十六个施工阶段都必须进行挖掘工作。案例研究的平面应变数值分析是通过利用岩土商业代码PLAXIS实现了有限元法（FEM）（由开发的Plaxis BV），采用15节点的三角形单元网格。在施工阶段利用结构的特性来重现数值分析系统内的详细信息。 如图2所示，3层土地层被后续建模：松散的沙土层、覆盖的火山碎屑砂土层（俗称火山灰）和底部凝灰岩基岩。覆盖的火山碎屑岩和凝灰岩层之间的边界之间的深度等于46米。这些土层的力学性能，可以从现场进行使用一系列连续取芯钻孔岩土原位表征结果得出，由penetrometric试验和实验室通过压缩和直接剪切试验（表3）鉴定。鉴于各土层的

10、渗透系数的值不同，分析并将进行每一个阶段的排水。因此，假定每个阶段的持续时间足够长，以保证开挖引起的地下水压力的变化完全消散。 图1挖掘系统(a)和横截面（A-A）与与土壤剖面示意图(b)表2.基坑支护系统的特点支持系统尺寸EI (kNm2/m)EA (kN/m)T形钢筋混凝土浆墙A混凝土=5.46 m25.8 E+063.4 E+07钢筋混凝土板厚度=1.8 m支柱的第一级12个支柱，800，厚度为20毫米，间距为51.8 E+06支柱的第二级12个支柱，1200，厚度为20毫米，间距为52.5 E+07支柱的第三级12个支柱，800，厚度为25毫米，间距为52.1 E+08支柱第四级12个

11、支柱，800，厚度为20毫米，间距为51.8 E+09钢筋混凝土板厚度从2.5米到5.5米钢筋混凝土墙厚度=2 m 图2.图式化采用的有限元模型表3.岩土土壤属性散沙火山碎屑砂凝灰岩（基岩）d (kN/m3)141414sat (kN/m3)161616kx=kz (m/s)105105105106E50 (kN/m2)15,00015,0001.0 E06cp (kN/m2)50500p363627ko0.50.50.5 通过考虑这个案例研究，发现开挖引起的应力变化影响了土壤内的菌株，特点是一种复杂的混合物的拉伸和压缩应力路径。值得注意的是，变形的很大一部分涉及到厚的火山碎屑砂土层。因此，这

12、一层需要一个弹塑性本构模型，假设屈服准则可以在剪切和体积应变中使用。在PLAXIS中，这种特性硬化土被称为H-S模式，它是基于莫尔 - 库仑强度准则和屈服面的两个准则内实施：“屈服盖面”，用与之相关的流动法则考虑体积塑性应变，而'剪切屈服面'，用非关联流动法则计算变形的塑性应变，以确保在轴对称条件下加载一个双曲型反应。H-S模型的参数是：三个强度参数（'，C'和Rf），五刚度参数（E50ref, Eurref, Eoedref, ure ，m)），剪胀角（）和静止土压力系数（K0）。表4描述了它们的物理意义，估计他们的常规方式和进行数值模拟中采用的数值。至于另外

13、两个土层，散沙土壤层和底层基岩凝灰岩，他们使用的是相对简单的理想弹塑库仑莫尔MC模型建模，它采用以下五种输入参数建模：2刚度参数（E， ），2强度参数（'，C'），剪胀角（）。参数E的值，'和c'报告在表3中，而对参数和的值，假定等于两个地层，被设置为0.2和0。表4. H-S输入参数参数说明传统的估计模型值基本参数摩擦角故障线的n-应力空间斜率36c粘聚力y轴截距n-应力空间0 kPa剪胀角 峰值 和 破坏的功能0°Eoedref切线刚度主固结荷载y轴截距log(v/pref)log(E50) 空间35,000 kPaE50ref割线刚度标准排水三轴

14、试验y轴截距log(3/pref)log(E50) 空间50,000 kPam动力刚度的压力依赖性趋势线的对数斜率log(3/pref)log(E50)空间0.5高级参数Eurref卸载-重装刚度默认值=3 E50ref3 E50refRf故障率 qf/qa默认值=0.90.9ur泊松比默认值=0.20.2k0正常固结土壤条件K0值默认值=1sin1sin 两跨钢筋混凝土框架系统已被考虑为八层，如图2所示。在表5和表6中，对现有建筑物的信息：框架的梁、柱截面，材料和载荷。应用代码使其具有调查土壤结构相互作用的目的，具有由于基坑开挖而受弹性系统和位移场影响的作用，从而对地震输入在地基中的水平分量

15、进行评估。表5.几何和载荷层数高度t (m)跨距长度（m）自重 (kN/m)活荷载 (kN/m)1层4.26.3161627层3.26.316168层3.26.3162表6.横截面和材料层数截面柱19 (m2)截面柱1018 (m2)截面柱1927 (m2)截面梁(m2)18层0.3×0.50.5×0.80.5×0.50.5×0.5314 顶624424424314 底材料：混凝土fck=20Mpa，钢fvk=380Mpa。值得注意的是，开挖区与建筑物之间的最小距离及相应的基坑角（图1（a），一直通过二维数值试验来确定（图1（b）和图2）。由此可见，角效

16、应是由于因地铁车站的空间几何配置而不能被模型采纳，刚刚被开发出来，在表7中，对建筑物基础开挖前、后分别配置相关的绝对垂直和水平位移（在最后的施工阶段），报告根据节点图3所示的编号。目的是分析该地区的平面应变和应力响应捕获。表7.绝对垂直和水平基础'位移开挖预配置(m)后开挖配置(m)u190.0040.001u100.0010.007u10.0070.017w190.0210.050w100.0230.054w10.0260.064图3.绝对垂直和水平的基础位移的结构模型5. 土壤和结构系统的动态特性在这项研究中的人工土或透射边界土在此处被认为是模拟土（图2），它允许反射和辐射传播波来

17、避免对结构基础层的影响。在时间和频率域内可以用不同的方式来定义这样的边界，它具有不同的灵敏度。特别是，在左、右两侧的剪切波，和规定的加速度时程的粘性边界底部。在这个阶段，在第四节中描述以及图2中所示的这三个分层土壤块，被建模为一个单一的层来定义其全局动态特性。对整个传输域来说阻尼特性是参照采用瑞利比例的方法。目前已通过识别所述第一和第二振动模式的动态特性来估算和参数。有了这个目的，基于能量的频谱分析识别技术，涉及到该系统的响应“multisine”输入信号，已获得通过将谐波与不同圆频率进行定义。方程（5）描述了这样的输入信号。 （5）然而， （6） 可以采用一四极点滤波器进行一个输出信号的频率

18、分析，对于所考虑的域见第一和第二模式的共振峰（图4）。他们结果为：和 。对于这两种模式可以通过施加一个模态阻尼系数，其对应的瑞利系数计算： and 。图4.输出信号的频率分析对于结构系统，已经在有限元模型中定义了（图3），根据表5和表6报告的数据来获得其主要动态特性（表8）。结构阻尼可通过瑞利方法来获得，得到阻尼系数等于它在第一和第二模式的值。表8.模态分析模式周期T(s)11.5720.4630.2340.1350.106. 土壤结构相互作用的非线性动态分析根据建议的程序阶段3（第3节），已经利用Plaxis的代码在边界底部强加一个显著加速度时程域来进行动态分析。特别是，已经发生的伊尔皮尼亚

19、大地震（1980年）记载斯图尔诺（表9）。所考虑的加速度测量信号被记录在岩石场地，因此，它被认为是合适的“基岩水平”加速度，其对应的弹性加速度谱被分别绘制在图图5（a）和（b）。表9.伊尔皮尼亚地震记录ID地震站数据源记录/组件P0293伊尔皮尼亚，意大利1980/11/23斯图尔诺ENEL/SEA99意大利/A-STU000 图5.斯图尔诺加速度（a）和（b）弹性加速度反应谱 非线性（粘弹塑性与硬化）的动态分析同时考虑了前、后开挖配置土结构的相互作用。两点上的自由场中的时程分析已监测（图6）。它的目的是要分析诱导对地震波的传播的挖掘效果。事实上，上述的非线性动态分析已经允许限定加速度测量信号

20、，尤其在靠近建筑物点（特别是点A和B-图6），无论是在前后开挖配置，如图7（a）和（b）所示。图.6.监测点土壤网格图7.比较计算加速度记录在A点和B点与预（a）和（b）配置后开挖 图8.比较图（a）和（b）之间的弹性位移的加速度反应谱 具体参考点A见图8（a）和（b），与两个前、后的挖掘配置的弹性加速度和位移响应谱和与之对应的伊尔皮尼亚地震相比，是为了突出地震需求的差异性。其所得到的结果显示在有限的变形例中即为地震激励的动态特性。参照对结构的影响，该光谱表明土壤由于深挖掘的应力变化趋向于降低在地震事件中的加速度（图8（a）和（ b），特别是从0.5到1秒这一段（图中基本周期范围中的情况。图8

21、（a）。7. 地震易损性在前期和后期开挖配置 利用阶段4和5所述的方法（第3节），结构模型的非线性地震反应分析已经发展为比较所述前、后挖掘响应于所选择的地震结构模型的非线性地震分析。根据结构体系的弹塑性性能以及对柱和梁的试验研究可以得出不同的结构参数，如混凝土强度等级、纵向钢比、剪跨比、配箍率和轴向应力水平、影响变形和吸能特性。基于组件的滞后行为的信息，大量研究得出对于获得钢筋混凝土框架的非弹性动态响应只是一个现实的预测。根据所述的集中塑性模型采用梁、柱类型，柱梁的弯曲和轴向力具有非线性特征ATC-40 取决于塑性铰的类型FEMA-273和FEMA-356。参照前期的开挖配置，对于下列非线性分

22、析已经顺序进行：（a） 竖向荷载明确考虑垂直和水平相对沉降的水土结构相互作用下的非线性静态分析；（b）非线性动力分析在考虑地基结构获得的地震输入（点A-图6）在预配置的挖掘。在图9中，相关分析的非线性动态响应（b）是在挖掘前的配置图。在分析的最后一步开发的塑性铰（B），对旋转、 Park 及Ang的延性需求进行了评估。图9.非线性动态响应：挖掘前的配置根据开挖后的配置，类似的非线性分析的结果已被绘制在图10。同样对延性需求和Park和ang指数进行了评价。图.10.非线性动态响应：后开挖的配置 以下的节点编号如图3所示，塑料铰链及与延性需求相关的前、后开挖配置比例变化已报告于表10中。体现在一

23、个在旋转变化等于+ 28.17%项的延性需求的大比例的增加，类似的结果和Park和Ang指数一样。表10.局部延性需求指数塑性铰挖掘前的配置开挖后的配置%变化1-20.00330.095319-200.00000.08892-110.76750.72835.112-110.63430.764820.5711-200.72670.73370.9611-200.65570.721810.083-120.86930.88251.523-120.71640.829915.8412-210.82770.84882.5512-210.75050.858014.324-130.90790.94193.744

24、-130.72850.822312.8813-220.85660.90355.4813-220.76960.84639.975-140.89570.94575.585-140.71330.77298.3614-230.83790.90137.5714-230.76090.80435.706-150.84410.90086.726-150.67630.70093.6415-240.78110.85128.9715-240.71510.73843.267-160.77040.82537.137-160.59210.60712.5316-250.70160.77049.8116-250.63260.63170.148-170.67190.744610.828-170.50910.51431.0217-260.60670.689313.6117-260.55280.54201,959-180.33270.396119.069-180.19330.19460.6718-270.25130.322128.1718-270.21830.20277.15ij:：塑性铰节点的“i”的框架i-j.ij:：塑性铰节点“j”框架i-j. 在图11和图12，塑性铰的转动的反应和2-11 3-12表示为了显示在开挖后的配置在塑性旋转和滞回耗能需求的增加。图11.在2-11塑料铰的前、后开挖配置旋转力矩响