張喜
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)
電力隧道是將電纜敷設(shè)在事先建好的地下隧道內(nèi)的一種電纜安裝方式, 用于電纜線路較多和電纜線路沿線不易開挖的場(chǎng)所。 相比架空線路,電力隧道可以提高運(yùn)行安全性, 避免外部環(huán)境等因素的影響, 減少受外力破壞可能性, 同時(shí)可減少對(duì)城市景觀的影響。 上海市已建或在建的電力隧道工程也有很多, 主要包括靜安世博電力隧道、 半淞園路電力隧道、 楊高中路(源深站-羅山路開關(guān)站)電力隧道、 于田路曹安路電力隧道等。
目前我國尚未出臺(tái)專門針對(duì)電力隧道等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范, 對(duì)其抗震設(shè)計(jì)主要參照《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T 51336 -2018)[1]和《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50032 -2003)[2], 頂管隧道橫向抗震計(jì)算可參照文獻(xiàn)[1], 頂管隧道縱向計(jì)算可參照文獻(xiàn)[2]。 國家和地方分別發(fā)布《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)(地下工程篇)》和《上海市市政(公路)公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證管理辦法》的通知, 要求對(duì)地下工程進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)論證。 本文依據(jù)具體工程采用反應(yīng)位移法對(duì)電力隧道進(jìn)行計(jì)算分析。
上海浦東新區(qū)前程路電力隧道總長(zhǎng)約2.6km, 沿線共設(shè)6 座頂管井(兼做電纜工井),為了加快施工工期, 其中5 座為工作井, 1 座為接收井, 電力隧道采用頂管施工工藝。 結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí), 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)使用年限為100 年。頂管管節(jié) DN3500, 管節(jié)長(zhǎng)度2.5m, 管節(jié)厚度320mm, 混凝土等級(jí)強(qiáng)度為 C50, F 型鋼套環(huán)的承插式接口。
擬建隧道場(chǎng)地地形較為平坦, 隧道沿線主要為正常沉積地層, 地基土主要由飽和粘性土、 粉土以及砂性土組成, 分布較為穩(wěn)定。 本工程構(gòu)筑物抗震設(shè)防類別為乙類, 擬建場(chǎng)地第四系覆蓋層厚度均大于80m。 建設(shè)場(chǎng)地20m 深度范圍內(nèi)土層以軟弱土為主, 場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度, 設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g, 設(shè)計(jì)地震分組為第二組, 設(shè)計(jì)特征周期為0.9s, 擬建工程地震作用應(yīng)按7 度烈度考慮, 抗震措施按8 度設(shè)防。 工程土層參數(shù)見表1。
表1 土層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Dynamic parameters of soil layer
目前隧道結(jié)構(gòu)橫向抗震計(jì)算主要采用反應(yīng)位移法[3-5], 本工程橫向抗震計(jì)算采用反應(yīng)位移法Ⅱ進(jìn)行計(jì)算, 土體基床系數(shù)采用靜力有限元法進(jìn)行計(jì)算。
首先, 用Midas GTS 軟件進(jìn)行一維土層地震反應(yīng)分析。 本工程中土層相關(guān)動(dòng)力參數(shù)如表1 所示, 隧道中心埋深按24.0m。 土層模型按剪切層法, 土層本構(gòu)關(guān)系如圖1 所示。 計(jì)算采用50 年超越概率10%的工程場(chǎng)地代表性基巖地震動(dòng)時(shí)程, 如圖 2 所示。
圖1 模量、 阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Relationship between modulus,damping ratio and shear strain
圖2 工程場(chǎng)地代表性基巖水平向地震動(dòng)時(shí)程Fig.2 Horizontal ground motion time history of representative bedrock in the project site
其次, 用Midas GTS 軟件建立結(jié)構(gòu)和土層有限元模型, 計(jì)算地基彈簧剛度。 土體采用平面應(yīng)變單元, 隧道結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧#?土層左、 右側(cè)邊界距隧道中心均為15m, 土層底部邊界取至⑧層土頂, 土層側(cè)向和底部邊界為固定邊界。 在隧道結(jié)構(gòu)上分別施加單位法向力和單位切向力,進(jìn)行靜力有限元分析, 得到單位力作用下的土層位移。 地基彈簧剛度按[1]:
式中:k為圓形結(jié)構(gòu)側(cè)壁壓縮或剪切地基彈簧剛度(kN/m);q為結(jié)構(gòu)單元上作用的單位力;δ為單位力作用下土層最大變形。
然后, 用Midas GTS 軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。 將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧,地基彈簧只考慮受壓, 結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模。 分別考慮永久荷載: 結(jié)構(gòu)自重、 隧道結(jié)構(gòu)頂部覆土荷載、 隧道結(jié)構(gòu)側(cè)向水土荷載, 水浮力(抗浮水位按地面以下0.5m 考慮); 可變荷載:電力設(shè)備荷載 8kN/m2, 地面超載 20kN/m2; 地震作用(7 度設(shè)防地震): 土層相對(duì)位移, 結(jié)構(gòu)慣性力, 結(jié)構(gòu)周圍剪力。 隧道結(jié)構(gòu)各種地震荷載計(jì)算說明見文獻(xiàn)[1]。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用和其他荷載作用基本組合效應(yīng)按線性關(guān)系考慮, 作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值可按[1]:
式中:γG為重力荷載分項(xiàng)系數(shù), 一般情況下取1.2, 對(duì)構(gòu)件承載能力有利時(shí)取 1.0;SGE為重力荷載代表值效應(yīng);γEh為水平地震作用分項(xiàng)系數(shù),取1.3;SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。
本隧道屬于地下直埋承插式圓形管道, 根據(jù)文獻(xiàn)[2]10.1.2 條, 應(yīng)在采取8 度抗震措施的基礎(chǔ)上, 計(jì)算在水平地震作用下, 剪切波所引起的變形。 隧道在地震作用下的縱向變形與反應(yīng)位移法Ⅲ類似, 都是先求出地震作用下的地層變形,然后根據(jù)地層和隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 計(jì)算出隧道結(jié)構(gòu)的變形。
隧道縱向剪切波所引起的變形按[2]:
式中:為在剪切波作用下, 管道沿管線方向半個(gè)視波長(zhǎng)范圍內(nèi)的位移標(biāo)準(zhǔn)值(mm);ζt為沿管道方向的位移傳遞系數(shù);為在剪切波作用下, 沿管線方向半個(gè)視波長(zhǎng)范圍內(nèi)自由土體的位移標(biāo)準(zhǔn)值(mm);U0k為剪切波行進(jìn)時(shí)管道埋深處的土體最大位移標(biāo)準(zhǔn)值(mm);KH為地震加速度系數(shù);g為地震加速度;Tg為管道埋設(shè)場(chǎng)地的特征周期(s);L為剪切波波長(zhǎng)(m);E為管道材質(zhì)的彈性模量;A為管道的橫截面;K1為沿管道方向單位長(zhǎng)度的土體彈性抗力(N/mm2);Vsp為管道埋設(shè)深度處土層的剪切波速(mm/s), 應(yīng)取實(shí)測(cè)剪切波速的2/3 值采用;Tg為場(chǎng)地特征周期(s);up為管道單位長(zhǎng)度的外緣表面積(mm2/mm);k1為沿管道方向土體的單位面積彈性抗力(N/mm3)。
半個(gè)剪切波速視波長(zhǎng)范圍內(nèi)的管道接頭數(shù)量n:
式中:lp為頂管管節(jié)長(zhǎng)度(m)。
根據(jù)文獻(xiàn)[2]附錄C.1.6, 單個(gè)接頭的軸向位移允許值ua取10mm。 半個(gè)剪切波長(zhǎng)范圍內(nèi)的管道軸線位移允許值為:n×10mm。
按照文獻(xiàn)[2]公式5.5.2 條關(guān)于承插式接頭的埋地管道在地震作用下應(yīng)滿足變位規(guī)定:
式中:γEHP為頂管水平向地震作用分項(xiàng)系數(shù), 取值1.20;λc為半個(gè)視波長(zhǎng)范圍內(nèi)頂管接頭協(xié)同工作系數(shù), 取值0.64; [ua]為單個(gè)接頭設(shè)計(jì)允許位移量。
一維土層地震反應(yīng)分析, 得到隧道所在位置的地層相對(duì)位移、 結(jié)構(gòu)周圍剪力、 峰值加速度,見表2。
表2 一維土層地震反應(yīng)分析結(jié)果Tab.2 Seismic response analysis of one-dimensional soil layer
從表2 中可以看出, 隧道頂點(diǎn)相對(duì)于底點(diǎn)的相對(duì)位移只有0.0021m, 相對(duì)位移很小, 加速度峰值取結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)相對(duì)底點(diǎn)位移最大值時(shí)刻的值,用此加速值計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)慣性力。
結(jié)構(gòu)和土層有限元模型及土層位移如圖3 所示, 單位法向和單位切向力作用下最大變形分別為0.0414mm 和0.0560mm。 按式(1)求出圓形結(jié)構(gòu)側(cè)壁壓縮地基彈簧剛度24154kN/m, 圓形結(jié)構(gòu)側(cè)壁剪切地基彈簧剛度17857kN/m。
隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及地震作用下隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖4 所示, 靜力組合和地震組合下的內(nèi)力見表3。
圖3 土層隧道結(jié)構(gòu)模型及位移Fig.3 Soil layer-tunnel structure model and displacement
圖4 隧道結(jié)構(gòu)模型及計(jì)算結(jié)果Fig.4 Tunnel structure model and calculation results
表3 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of structural seismic response
從圖4 和表3 中可以看出, 本工程地震工況下產(chǎn)生的軸力和剪力在地震組合中的比例均較小, 而地震工況下產(chǎn)生的彎矩在地震組合中占50%以上, 占比很大, 設(shè)計(jì)中有必要考慮。 從表3 中還可以看出, 靜力組合內(nèi)力大于基本地震組合內(nèi)力, 地震工況不起控制作用, 結(jié)構(gòu)配筋由靜力組合控制或裂縫控制。 由于本工程電力隧道直徑較小, 且隧道整個(gè)位于同一土層內(nèi), 故隧道頂、 底的相對(duì)位移較小, 由相對(duì)位移產(chǎn)生的內(nèi)力也較小, 故地震組合下的內(nèi)力均小于靜力組合下的內(nèi)力。
隧道縱向抗震計(jì)算參數(shù)見表4, 將計(jì)算參數(shù)代入式(3) ~式(9)得到計(jì)算結(jié)果見表 5。 按式(10)計(jì)算, 變形量為 27.42mm, 小于容許變形量236.8mm, 隧道縱向變形計(jì)算滿足規(guī)范要求。
表4 隧道縱向變形計(jì)算參數(shù)Tab.4 Calculation parameter of longitudinal deformation of tunnel
表5 隧道縱向變形計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of longitudinal deformation of tunnel
隧道結(jié)構(gòu)圓形斷面在罕遇地震作用下產(chǎn)生的變形如圖5 所示。
圖5 隧道罕遇地震作用下變形(單位: mm)Fig.5 Deformation of tunnel under rare earthquake(unit: mm)
隧道在罕遇地震作用下產(chǎn)生的直徑變形率[1]:ΔD為罕遇地震作用下直徑變形量。
隧道在罕遇地震作用下產(chǎn)生的彈塑性直徑變形率0.216‰ <6‰, 彈塑性直徑變形率滿足規(guī)范[1]要求。
本文根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地條件特點(diǎn), 采用反應(yīng)位移法, 建立有限元模型, 計(jì)算出隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)和變形, 得出以下總結(jié):
1.圓形隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的軸力和剪力在地震組合中的比例均較小, 而彎矩在地震組合中占50%以上, 設(shè)計(jì)中有必要考慮; 地震烈度為7 度時(shí), 橫向地震反應(yīng)工況不起控制作用, 結(jié)構(gòu)配筋由靜力組合控制或裂縫控制。
2.頂管隧道的縱向抗震設(shè)計(jì), 重點(diǎn)滿足結(jié)構(gòu)縱向變形性能。 頂管隧道的變形還須滿足罕遇地震作用下的彈塑性直徑變形率。
3.隧道在地震作用下的內(nèi)力取決于一維地層反應(yīng)分析的相對(duì)位移、 剪切力和慣性力, 隧道直徑大小、 土層的變化, 均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生很大影響。