地下綜合管廊投料口結(jié)構(gòu)抗震計算分析
——基于反應(yīng)位移法

邱香港

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著我國的城市化建設(shè)進程推進，近年多地逐步進行地下綜合管廊的建設(shè)。地下綜合管廊能夠很好地解決市政道路建設(shè)中反復(fù)出現(xiàn)“馬路拉鏈”的問題，極大改善了城市的景觀。目前，在福建的福州、廈門、平潭等地均開展了地下綜合管廊的試點項目。福建省處于環(huán)太平洋地震帶，地下管廊作為城市生命線，必須要考慮抗震設(shè)計，保證在發(fā)生地震時候能處于安全狀態(tài)。

世界各國對地上結(jié)構(gòu)物的抗震研究已經(jīng)比較深入，但是對地下結(jié)構(gòu)物的抗震研究資料較少。上海浦東新區(qū)于1994年底建成了國內(nèi)第一條規(guī)模較大、距離較長的共同溝，近20多年相繼建設(shè)的管廊大多數(shù)還未經(jīng)歷過大地震的考驗，因此地下管廊的震害記錄不多[1]。

現(xiàn)行的城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范并未對地下管廊結(jié)構(gòu)抗震進行規(guī)定說明，給廣大工程師設(shè)計計算分析帶來極大的困惑。本文參照結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50909-2014)等抗震設(shè)計規(guī)范要求及工程實例，采用目前行業(yè)推薦的反應(yīng)位移法對地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計計算進行研究分析。

地下管廊復(fù)雜節(jié)點區(qū)間結(jié)構(gòu)(投料口、出入口、逃生口、通風(fēng)孔、吊裝口、交叉口等)內(nèi)力具有明顯的空間分布特征，同時，由于構(gòu)件布置不規(guī)則性，無法將其等效為平面模型分析，需要采用三維模型進行分析，并按反應(yīng)位移法結(jié)果進行抗震設(shè)計[2]。受篇幅所限，本文選取投料口節(jié)點區(qū)間結(jié)構(gòu)，運用Midas Gen軟件基于反應(yīng)位移法對其在橫向及縱向地震作用下的地震反應(yīng)進行分析，并就考慮地震作用和不考慮地震作用下的內(nèi)力、配筋情況進行比較分析，從而介紹使用反應(yīng)位移法計算管廊復(fù)雜區(qū)間結(jié)構(gòu)縱橫向地震作用的過程。

1 工程概況

福州市連潘鳳坂片區(qū)路網(wǎng)工程(前嶼西路)工程，其中管廊工程1.305 km，為福州市第一條單倉預(yù)制拼接綜合管廊結(jié)構(gòu)。前嶼西路管廊起終點樁號EK0+045～ EK1+350，預(yù)制模塊415個，標(biāo)準(zhǔn)段現(xiàn)澆72.6m，其中管廊節(jié)點：投料口7個，接戶區(qū)8個，排風(fēng)亭4個，送風(fēng)亭3個。管廊位于人行道、綠化帶和非機動車道下方，建成后道路的機動車輛荷載對管廊影響不大。綜合管廊的斷面型式采用箱形斷面。標(biāo)準(zhǔn)段采用單孔箱形斷面，標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為2.9m×2.8m，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段均采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝。對于非標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)段采用現(xiàn)場澆筑方式。節(jié)段之間采用Φ32高強度精軋螺紋鋼筋張拉連接。從地質(zhì)情況揭露表明，綜合管廊所經(jīng)路段基底基本都在淤泥土層上，需進行軟基處理。軟基處理采用換填碎石灌砂，換填厚度為l m，碎石灌砂按3層碾壓，每層厚度之間設(shè)置雙向塑料格柵。

圖1 管廊標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制節(jié)段實景圖

圖2 管廊現(xiàn)澆區(qū)間實景圖

本文選取EK0+980處投料口節(jié)點區(qū)間結(jié)構(gòu)進行分析研究。該結(jié)構(gòu)總長12.55m，為現(xiàn)澆段，如圖2所示。投料口結(jié)構(gòu)總分為兩層，底層為凈寬2.9m×2.8m的矩形截面，上一層為凈寬4.55m×2.0m的矩形截面，并且頂層與中間夾層有開6.55m×1.2m的矩形連通孔。結(jié)構(gòu)頂層覆土1.6m，上下兩層均處于淤泥中?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.1g，抗震設(shè)防類別：乙類。

結(jié)構(gòu)頂、底板及側(cè)壁厚度均為350mm，混凝土強度等級采用C40防水砼。采用明挖法施工，周邊土體為壓實回填土。投料口結(jié)構(gòu)立面及斷面圖如圖3～圖4所示。

圖3 投料口區(qū)間結(jié)構(gòu)立面圖(單位：mm)

圖4 投料口區(qū)間結(jié)構(gòu)斷面圖(單位：mm)

2 投料口節(jié)點區(qū)間抗震計算分析

2.1 反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法是地下結(jié)構(gòu)抗震分析最基本方法之一，是目前我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50909-2014)對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本方法，其基本原理是將土層在地震作用下的相對變形傳給結(jié)構(gòu)，進而產(chǎn)生地震作用。地下綜合管廊結(jié)構(gòu)與地下軌道交通結(jié)構(gòu)具有很大的相似性，因此，地下綜合管廊結(jié)構(gòu)可采用反應(yīng)位移法進行抗震設(shè)計。

反應(yīng)位移法，分為橫向反應(yīng)位移法和縱向反應(yīng)位移法。橫向反應(yīng)位移法，主要是取地下結(jié)構(gòu)物的橫向斷面進行抗震分析，土體位移只與深度z相關(guān)，對地下結(jié)構(gòu)斷面加載地震作用下的土體相對位移進行計算。

橫向反應(yīng)位移法包含地基土彈簧約束、相對位移、剪切力及結(jié)構(gòu)慣力4個要素[3],如圖5所示。

注:1-地面；2-設(shè)計地震作用基準(zhǔn)面；3-土層位移；4-慣性力； kh、kv、ksv、ksh-土體軸向及剪切方向彈簧剛度；τu、τB、τS-土層剪力。圖5 橫向反應(yīng)位移法原理參數(shù)圖示

土體位移、土體剪力、土體約束參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》相應(yīng)條文規(guī)定進行計算。

縱向反應(yīng)位移法，考慮的是地下結(jié)構(gòu)物在地震力作用下縱向與斷面軸向的變化。由于結(jié)構(gòu)所在的深度不同，縱向位移呈現(xiàn)大小不一的拉壓變形，地下結(jié)構(gòu)的位移與(x,y,z)3個空間方向變量相關(guān)，其中x、y方向位移是關(guān)于深度z的函數(shù)，對地下結(jié)構(gòu)加載地震作用下縱向土體的絕對位移進行計算，如圖6所示[3]。

圖6 縱向反應(yīng)位移法原理參數(shù)圖示

kl——沿管廊縱向側(cè)壁剪切地基彈簧剛度；

k1——沿管廊縱向側(cè)壁拉壓地基彈簧剛度。

2.2 模型建立

(1)采用Midas Gen軟件對地下綜合管廊投料口進行三維建模分析，抗震設(shè)計方法采用反應(yīng)位移法，Midas Gen節(jié)點模型如7圖所示，其中青色板厚0.35m，投料口分為上下兩層結(jié)構(gòu)。

圖7 投料口全區(qū)間模型

(2)投料口考慮荷載布置：

①自重：混凝土容重按照26kN/m3，按恒載考慮；

②土壓力及水壓(浮)力：按水土合算，主動土壓力系數(shù)按0.4考慮，天然容重按照20kN/m3考慮，土體反力由軟件自動計算。

③管廊位于非機動車道下方，不考慮車載，僅考慮人行荷載，采用5kPa；

④考慮檢修、結(jié)構(gòu)墊層及管線荷載。

(3)橫向反應(yīng)位移法模型考慮4要素

①邊界約束：投料口底板采用土彈簧節(jié)點彈性支撐(由于不考慮底板與土體脫離，剪切彈簧需考慮x、y、z三個方向)；頂板采用土彈簧節(jié)點彈性支撐(剪切彈簧考慮x、y兩個方向)；側(cè)壁板采用土彈簧節(jié)點彈性連接(在地震作用下考慮側(cè)壁與土體脫離產(chǎn)生土體相對位移，計算時需考慮側(cè)壁法向的壓縮彈簧只受壓特性，且剪切彈簧考慮z一個方向)。

②土體變形：側(cè)壁的位移計算參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50909-2014)，該管廊工程位于地震動峰值加速度分區(qū)的7度區(qū)(0.1g),對應(yīng)的E2地震作用下的II類場地設(shè)計地震動峰值位移umaxII=0.07m(對應(yīng)的地震動峰值位移調(diào)整系數(shù)Γu取1.2)，所以根據(jù)公式計算出模擬投料口結(jié)構(gòu)區(qū)間場地下的自由土層地震動峰值位移：

umax=Γu·umaxII=0.07×1.2=0.084m

將umax計算值輸入計算程序，程序會根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50909-2014)的附錄E.0.1原理[2]計算投料口區(qū)間側(cè)壁結(jié)構(gòu)單元沿土層深度方向的土層位移值。

③土層剪切：程序自動采用反應(yīng)譜法計算投料口模型頂、底及側(cè)面的土層位移，再通過土層位移微分確定土層應(yīng)變，最后通過物理關(guān)系計算出各面的土層剪力。

④結(jié)構(gòu)慣性力：結(jié)構(gòu)慣性力通過對結(jié)構(gòu)整體施加水平地震峰值加速度Ag=0.1g來實現(xiàn)，由程序自動計算施加在模型節(jié)點處的節(jié)點力。

(4)縱向反應(yīng)位移法模型考慮的要素

①邊界約束：因投料口結(jié)構(gòu)在地震作用下需考慮縱向與橫向位移變化，結(jié)構(gòu)邊界約束采用彈性連接。每個結(jié)構(gòu)單元應(yīng)考慮x、y兩個方向的壓縮彈簧，頂?shù)装宀豢紤]只受壓特性，而側(cè)壁應(yīng)考慮只受壓特性。同時整體模型需在底板增加豎向節(jié)點彈性支撐約束。

②土體變形：根據(jù)設(shè)計地震動峰值、特征周期TS，土層平均剪切波速Tsd，基巖平均剪切波速TSDB，軟件程序?qū)⒆詣佑嬎愠鯠X、DY兩個方向的絕對位移，并作用于投料口結(jié)構(gòu)上進行抗震計算。

2.3 抗震分析

該工程是重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)，采用橫向反應(yīng)位移法與縱向反應(yīng)位移法分別計算后，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖譜看投料口管廊結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)。橫向反應(yīng)位移法作用下最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為14.5MPa小于結(jié)構(gòu)本身砼強度應(yīng)力。投料口模型抗震應(yīng)力圖如圖8～圖9所示。

圖8 橫向反應(yīng)位移法考慮地震作用時應(yīng)力圖(MPa)

圖9 縱向反應(yīng)位移法考慮地震作用時應(yīng)力圖(MPa)

對比考慮地震作用與不考慮地震作用時投料口模型的軸力發(fā)現(xiàn)，橫向反應(yīng)位移法計算時最大軸力數(shù)值比不考慮地震時大49.7%，縱向反應(yīng)位移法計算時個別單元的最大軸力數(shù)值是不考慮地震時的4倍。縱向反應(yīng)位移法計算出的軸力值較大，主要是因為結(jié)構(gòu)底板的邊界不考慮縱向的剪切彈簧剛度，在地震作用下結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生了拉壓變形及橫向變形。考慮地震作用與不考慮地震作用時投料口模型的軸力情況如圖10～圖12所示。

圖10 不考慮地震作用時軸力圖(kN)

圖11 橫向反應(yīng)位移法考慮地震作用時軸力圖(kN)

圖12 縱向反應(yīng)位移法考慮地震作用時軸力圖(kN)

對比考慮地震作用與不考慮地震作用時投料口模型的彎矩發(fā)現(xiàn)，橫向反應(yīng)位移法計算時最大彎矩數(shù)值比不考慮地震時大12.3%，縱向反應(yīng)位移法計算時最大彎矩數(shù)值比不考慮地震時大18.9%?？紤]地震作用與不考慮地震作用時投料口模型彎矩情況如圖13～圖15所示。

圖13 不考慮地震作用時彎矩圖-顯示變形狀態(tài)(kN·m)

圖14 橫向反應(yīng)位移法考慮地震作用時彎矩圖-顯示變形狀態(tài)(kN·m)

圖15 縱向反應(yīng)位移法考慮地震作用時彎矩圖-顯示變形狀態(tài)(kN·m)

2.4 配筋計算

經(jīng)配筋設(shè)計驗算，投料口模型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大偏心受壓構(gòu)件。通過對比考慮地震作用與不考慮地震作用的計算配筋結(jié)果表發(fā)現(xiàn)，頂板與底板是否考慮地震作用的計算配筋面積相差不大，而側(cè)壁板的計算配筋面積相差較大(縱向地震作用比不考慮地震作用計算配筋面積增加39.5%)。對于在縱向反應(yīng)位移法地震作用時，在投料口的開口區(qū)域單元由裂縫反算配筋率較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮增加配筋。因此，進一步說明在地震作用時土層的變形位移對投料口結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化會產(chǎn)生較大的影響[4]。

考慮地震作用及不考慮地震作用3種工況下，投料口模型提取的板配筋計算統(tǒng)計結(jié)果，如表1～表3所示。

表1 板配筋計算整體結(jié)果輸出統(tǒng)計表(橫向反應(yīng)位移法地震作用) cm2/m

表2 板配筋計算整體結(jié)果輸出統(tǒng)計表(縱向反應(yīng)位移法地震作用) cm2/m

表3 板配筋計算整體結(jié)果輸出統(tǒng)計表(不考慮地震作用) cm2/m

3 結(jié)論

(1)反應(yīng)位移法是目前現(xiàn)行對地下結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計的最適合的基本方法之一，通過有限元建模分析，地下管廊復(fù)雜節(jié)點區(qū)間結(jié)構(gòu)采用反應(yīng)位移法進行抗震設(shè)計符合地下結(jié)構(gòu)的受力特性規(guī)律。

(2)采用反應(yīng)位移法進行抗震設(shè)計，會發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力比不考慮地震作用大較多，因此管廊復(fù)雜節(jié)點區(qū)間抗震設(shè)計是保證地下結(jié)構(gòu)安全的必要環(huán)節(jié)，不容忽視。

(3)對于地下綜合管廊復(fù)雜節(jié)點結(jié)構(gòu)，在不考慮地震作用時結(jié)構(gòu)的配筋可以根據(jù)裂縫及構(gòu)造要求計算設(shè)計，但是在考慮地震作用時，結(jié)構(gòu)的配筋就需考慮地震作用時土層位移帶來的影響，特別需要關(guān)注側(cè)壁板的結(jié)構(gòu)配筋是否滿足抗震的要求。