沿海软土机场本构模型及重力动力响应

摘要：地震灾害突发性、续发性强，对沿海软土地区，机场结构复杂、大跨度结构抗震等级高、防灾问题突出。为提高结构抗震设计质量，本文对沿海软土机场本构模型及重力动力响应展开探讨。

关键词：机场结构；本构模型；动力反应

一、土体弹性本构模型的建立

采用摩尔库伦本构模型是建立在摩尔库伦强度理论上的本构模型。

MC条件为：τn=c+σn·tan

对每一种土层进行直剪实验，测定各土层的抗剪强度指标，根据试验可得土体参数：

取平均值作为最终软土设置参数值。

取c=17867.5pa，φ=17.575°。

故可得土体的库伦公式如下：

二、航站楼模型建立

（一）模型依据

依据天津滨海国际机场资料，建立航站楼简化模型，其中包括面积（约为18312m2）、高度（最高点距地面约40m）。

（二）模型分析

1）承重柱在x轴方向每排11根，间隔16米；y轴方向每列7根，间隔12米，均匀分布。桩从地面开始向下延伸至第三土层底部，在x轴方向每排6根，间隔32米，在y轴方向列4根，间隔24米。

2）土体部分，将土体的长宽（504米*288米）均设为结构长宽（168米*96米）的3倍左右，因此在分析计算模块加载载荷时，边缘土体所受应力的影响可以忽略。

土体分层方面，将地面及以下土体分为四层，每层深度分别为8米，8米，32米，32米，每层土体弹塑性参数不同。

（三）模型单元设定

1.土体部分及承台顶板：SOLID 186

solid186是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网。

2.承重柱及桩：BEAM 188

当 KEYOPT（1）=0时 （默认）， 每节点有6个自由度。 分别是沿x，y，z的位移及绕其的转动。

（四）模型网格划分

将每层土体均分为3*3九块。结构正下方的土体在xy轴方向划分为48*32格式的单元网格。与结构正下方的土体在x轴方向相邻的两块土体在xy轴方向划分为24*32格式的单元网格；与结构正下方的土体在y轴方向相邻的两块土体在xy轴方向划分为48*16格式；其余四块土体在xy轴方向均划分为24*16格式的单元网格，在Z轴方向，每层土体划分为两层网格。

三、结构土体在重力荷载作用下计算结果

（一）静力分析

本模型自重应力的分布以及在不同位置的大小，以此来作为分析土体结构在地震荷载作用下的对照基础。施加z轴方向重力加速度9.8m/s2。

（二）靜力分析结果

位移分析结果（形变放大100倍），由分析得：

合位移：最大位移节点号为288479位移值为0.12m

最小位移节点号为243368位移值为0m

可以看出在仅在重力作用下航站楼顶部边缘变形较大，约为0.12m，相应的土体变形很小，不足0.01m。

同理得出：

（三）等效应力分析结果

应力最大的部分出现在层和顶层之间的柱子上。

应力最大 节点号293842值1.11E+07Pa

应力最小 节点号83416值1531Pa

四、结果分析与结论

由位移云图和数据结果可知，仅在重力作用下，位移最大的地方发生在航站楼顶壳边缘，约为0.12米，等效应力最大的地方发生在两层之间的柱子上，等效应力达1.11E+07pa。而此时土体相对比较安全。由此可见，在土—航站楼自身重力作用下，土体和航站楼发生的变形较小，结构不易失去稳定。

基金来源：中国民航大学2016年大学生创新创业训练（项目编号：201610059078）；中国民航大学科研启动基金（2013QD10X）；中央高校基本科研业务费项目（3122015C019）