某下穿通道框架涵結(jié)構(gòu)抗震性能研究

張 恒

（安徽省公路工程檢測(cè)中心，安徽 合肥 230041）

目前大城市人口密度攀升，致使市內(nèi)機(jī)動(dòng)車保有量以每月近萬輛的速率隨之劇增，交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重。一些城市交通路網(wǎng)也已形成，無法新建更多替代性重要交通干道[1]。交通擁堵問題的解決措施，除外遷城內(nèi)企業(yè)，大力發(fā)展軌道交通等公共交通形式外，對(duì)現(xiàn)有繁忙交通節(jié)點(diǎn)的疏導(dǎo)顯得刻不容緩。城市淺埋式框架涵下穿通道可使節(jié)點(diǎn)交通在空間上各行其道，極大疏導(dǎo)交通負(fù)荷。

對(duì)于地震活躍帶地區(qū)城市的框架涵下穿通道而言，地震力對(duì)此類淺埋式框架結(jié)構(gòu)的破壞性較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算中需要著重關(guān)注[2]。本文針對(duì)某城市下穿通道進(jìn)行典型地震波作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能研究，采用Midas/Civili橋梁結(jié)構(gòu)專用計(jì)算軟件分析框架涵結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)情況，結(jié)果表明其抗震性能良好，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

1 工況概況

某城市下穿通道采用框架涵預(yù)制拼裝施工工藝，框架涵采用上下拼接的閉合框架結(jié)構(gòu)形式。采用該工藝可以大大縮短施工工期，但其結(jié)構(gòu)受力性能及抗震性能等尚待研究。本文對(duì)框架涵預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能方面的研究，研究成果可為今后同類工程提供參考，使其從結(jié)構(gòu)受力更加合理。

1）斷面形式：下穿通道斷面常采用拱形斷面和矩形斷面，本工程下穿通道覆土淺，采用明挖施工。矩形斷面形式提高了斷面利用率并減少了開挖深度，縮短了施工工期。

2）框架結(jié)構(gòu)：采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本工程設(shè)有單孔框架和雙孔框架兩種。

3）地基：根據(jù)本工程地質(zhì)勘探，北段通道基底大多位于全風(fēng)化花崗巖（凝灰?guī)r）或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（凝灰?guī)r），局部位于中風(fēng)化花崗巖（凝灰?guī)r），因此北段通道基底一般無須再做處理；南段通道基底主要在粘土層。

2 抗震分析方法

針對(duì)一般地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析方法，早期主要以借鑒地面結(jié)構(gòu)抗震簡(jiǎn)化分析的靜力法為主，如：地震系數(shù)法（亦稱擬靜力法、慣性力法）和反應(yīng)位移法；而對(duì)于重要性大的地鐵隧道等地下結(jié)構(gòu)，則需要進(jìn)行動(dòng)力模型試驗(yàn)分析和地震響應(yīng)分析，以期準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與動(dòng)力響應(yīng)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作。特殊條件下的震害調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的抗震特性，但無法直觀獲得在確定的模型邊界條件與激勵(lì)地震波條件下的針對(duì)性試驗(yàn)結(jié)果。理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法是普遍的抗震分析方法。

框架涵的縱向拉、壓和彎曲作用會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的縱向變形，地震波響應(yīng)分析時(shí)為包絡(luò)得到框架涵總體縱向地震位移響應(yīng)，沿結(jié)構(gòu)軸向和橫向主軸分別輸入地震簡(jiǎn)諧波。

假設(shè)：（1）忽略地震波的沿程衰減；（2）框架涵各周邊土彈簧相互不產(chǎn)生受力影響；（3）作用于框架涵的切向彈簧力-位移曲線符合雙向性規(guī)律，應(yīng)力大于摩擦上限則框架涵產(chǎn)生滑移。

輸入結(jié)構(gòu)的地震簡(jiǎn)諧波可表示如下：

Aa為軸向波幅，Ab為橫向波幅，分別對(duì)應(yīng)于人工填土場(chǎng)合天然土場(chǎng)的地震響應(yīng)分析結(jié)果。La、Lb分別為響應(yīng)地震波的波長(zhǎng)。即La=cTa;Lb=cTb。依照經(jīng)驗(yàn)，Ta、Tb分別取 0.3s、0.1s，波束 c 取 900m/s。

3 閉合框架結(jié)構(gòu)建模

在對(duì)下穿通道的分析中，采用了有限元分析軟件Midas，由于通道全長(zhǎng)較長(zhǎng)，無法全部模擬，故在此截取了1m長(zhǎng)的通道，建立了下穿通道的有限元模型，以節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬邊界。

其中單室框架涵高7.2m，寬10.4m，頂板、底板、腹板厚分別為0.7m、 0.8m、0.8m。模型共劃分為60個(gè)節(jié)點(diǎn)，60個(gè)梁?jiǎn)卧?，其中各個(gè)方向劃分為，X方向?yàn)榭蚣芎叫杏诘孛娲怪庇诳蚣芎S線方向，Y方向?yàn)榭蚣芎S線方向，Z方向?yàn)榇怪庇诘孛嫦蛏系姆较?。雙室框架涵高7.2m，寬19.9m，頂板、底板、中腹板、邊腹板厚分別為 0.7m、0.8m、0.8m、0.7m。模型共劃分為116個(gè)節(jié)點(diǎn)，115個(gè)梁?jiǎn)卧?，其中各個(gè)方向劃分為，X方向?yàn)榭蚣芎叫杏诘孛娲怪庇诳蚣芎S線方向，Y方向?yàn)榭蚣芎S線方向，Z方向?yàn)榇怪庇诘孛嫦蛏系姆较?，如圖1所示。

圖1 單室、雙室彈性地基框架梁計(jì)算模型

建立模型之后，采用Midas中比較典型的三種地震波對(duì)框架涵模型進(jìn)行了加載分析，三種地震波分別為：

①T2-I-1 （1995，HYOUGOKEN_South，NS，極值=-0.8281g）； ②s_monic1（1994，Northridge，Santa Monica，City Hall Grounds， 極值=-0.8836g）； ③EI cent_t（1940，EI Cento Site，270Deg，極值=0.3569g）。

并在上述三種地震波下對(duì)模型的7個(gè)方向（X、Y、Z、XY、XZ、YZ、XYZ）進(jìn)行了加載。

4 單室和雙室箱涵響應(yīng)分析

圖2僅列出T2-I-1地震波沿X方向輸入時(shí)，單室箱涵Z軸方向的位移曲線、剪力彎矩圖，地震波沿其他方向輸入時(shí)以及另兩種地震波輸入時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)列表1匯總展示。

圖2 地震波沿X方向輸入時(shí)的位移響應(yīng)Z、軸力響應(yīng)Fz、彎矩響應(yīng)Mz（從左至右）結(jié)果示意

舉例說明，由上所列位移、內(nèi)力、應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果圖表可知，在X方向T2-I-1地震波作用下，X方向位移最大為6.5mm；X方向的剪力值數(shù)值最大為142.2kN；Z方向的彎矩值數(shù)值最大為168.5kN·m，地震波沿X方向輸入時(shí)梁?jiǎn)卧獞?yīng)力最大值為2.2MPa。如圖3所示，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范驗(yàn)算后得到該淺埋式下穿通道單、雙室結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，且雙室結(jié)構(gòu)相較于單室結(jié)構(gòu)的震動(dòng)波響應(yīng)更小，雙室結(jié)構(gòu)箱涵的抗震性能較單室結(jié)構(gòu)更優(yōu)良。

由單、雙室箱涵的地震波位移響應(yīng)時(shí)程曲線對(duì)比可知，位移大小的量級(jí)遠(yuǎn)小于單室結(jié)構(gòu)，雙室結(jié)構(gòu)的位移大小較單室更為微弱。

圖3 X向T2-I-1波的單、雙室X向位移時(shí)程曲線

5 結(jié)論

通過對(duì)下穿通道框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元抗震性能計(jì)算分析，可得到以下結(jié)論：

表1 三種地震波作用下單室箱涵結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果匯總表

1）將本結(jié)構(gòu)的模型看作箱形彈性地基梁并在桿系有限元模型中建立相應(yīng)的模型后，在Midas中用三種典型的地震波， 在 X、Y、Z、XY、XZ、YZ、XYZ 方向?qū)δＰ头謩e加載后，從上述結(jié)果中可以看出，結(jié)構(gòu)在各個(gè)工況下的位移變化曲線、內(nèi)力大小、應(yīng)力大小均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗震能力良好，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

2）由單室、雙室箱涵的各地震波響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比可知，雙室箱涵的地震響應(yīng)較單室箱涵更微弱，表明雙室結(jié)構(gòu)比單室結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能，驗(yàn)證了其抗震性能的優(yōu)越性。此類框架式箱涵結(jié)構(gòu)可在滿足結(jié)構(gòu)使用功能的基礎(chǔ)上，保證良好的抵抗破壞性地震作用的能力。