地下綜合管廊地震響應(yīng)研究進展

李金奎， 汪 洋

(1.大連大學(xué)建筑工程學(xué)院， 大連 116000； 2.大連市隧道與地下工程中心， 大連 116000)

隨著城市化進程的有序推進、城市管網(wǎng)體系的快速發(fā)展、地下空間的不斷開發(fā)，諸如“馬路拉鏈”“空中蜘蛛網(wǎng)”等諸多“城市病”也不斷出現(xiàn)，地下綜合管廊作為集中敷設(shè)市政管線的公共隧道，可以有效解決傳統(tǒng)管線敷設(shè)帶來的上述“城市病”頑疾，并極大改善城市人居環(huán)境和提升城市綜合承載力，是保障城市可持續(xù)發(fā)展的市政基礎(chǔ)設(shè)施重點工程和“生命線”，也成為城市地下工程的發(fā)展趨勢之一[1-2]。地下綜合管廊(underground utility tunnel，下文簡稱管廊)指在地下建造一個隧道空間，將各種管線集于一體，是一種集約化、現(xiàn)代化、智慧化的地下結(jié)構(gòu)[3]。自1833年在巴黎建造的第一條管廊，管廊的建設(shè)發(fā)展已近190年。但中國的管廊建設(shè)較晚，第一條管廊建于1958年天安門廣場，在中國經(jīng)歷了概念階段、爭議階段、快速發(fā)展階段、趕超和創(chuàng)新階段、有序推進階段等幾個階段，目前取得了一定的階段性建設(shè)成果[4]。

但長期以來，人們普遍認為地下結(jié)構(gòu)受周圍巖土體的約束其抗震安全性能遠高于地上結(jié)構(gòu)，而忽略了地下結(jié)構(gòu)的抗震問題[5-6]。近幾十年里的各大地震中，不少地下結(jié)構(gòu)遭到不同程度的地震損壞，直到1995年日本神戶地震導(dǎo)致大開地鐵車站的嚴(yán)重破壞后，人們才開始對地下結(jié)構(gòu)的抗震引起重視，不斷展開地下結(jié)構(gòu)抗震的相關(guān)研究[7-8]。目前對地下結(jié)構(gòu)抗震的研究主要集中在地鐵車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、公路或鐵路山嶺隧道結(jié)構(gòu)、地下管線結(jié)構(gòu)等，相比之下對管廊的抗震研究較少。由于管廊一般屬于淺埋狹長形地下結(jié)構(gòu)，斷面尺寸介于地下管線與隧道之間,截面形狀多為矩形，因此它既不同于普通管線，又不同于地鐵車站與隧道結(jié)構(gòu)，為此，對管廊地震響應(yīng)的研究進行闡述，以期促進管廊地震響應(yīng)的研究。

1 地下綜合管廊地震震害及抗震研究方法

1.1 地下綜合管廊地震震害

作為地下結(jié)構(gòu)，管廊同地表結(jié)構(gòu)在地震動作用下的破壞形式及特點表現(xiàn)出較大的差異。其震害多表現(xiàn)為廊體外側(cè)混凝土保護層開裂甚至脫落、廊體段接口斷開、襯砌破壞、廊體因土體液化或大變形而被拉斷、廊體內(nèi)部管道斷裂、管線拉斷、支座支架墩體折斷發(fā)生破壞及固定裝置的毀壞、因廊體遭受地震破壞引起的次生災(zāi)害而破壞等，表1為部分管廊地震震害實例。

表1 地下綜合管廊地震震害實例

1.2 地下綜合管廊抗震分析方法

地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法的發(fā)展與人們對地震的認識水平的提升有很大關(guān)系，在兩者良性發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了各種分析方法[7-9]，地下結(jié)構(gòu)抗震分析的基本研究方法有：原型觀測、模型試驗、理論分析，原型觀測分為：地震觀測、震害調(diào)查、現(xiàn)場足尺試驗；模型試驗分為：人工震源實地試驗、振動臺物理模型試驗等。理論分析分為：解析法或半解析法、數(shù)值模擬法及數(shù)值-解析結(jié)合法，解析法包括以求解波動方程為基礎(chǔ)的波動法和以求解運動方程為基礎(chǔ)的相互作用法或稱結(jié)構(gòu)動力學(xué)法，解析法又具體分為：St.John法、Shukla法、反應(yīng)位移法、BART法、福季耶娃法、遞推衍射法等，數(shù)值模擬法分為：有限單元法、邊界元法、有限差分法、拉格朗日元法、有限條法、離散單元法、非連續(xù)變形分析法、數(shù)值流形和無單元法及耦合方法等。研究地震運動對地下結(jié)構(gòu)的影響采用的理論主要有兩類,即波動理論和振動理論。許多實用的抗震分析方法都是在以上兩種方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如擬靜力法、ST.John法、Shukla方法、圍巖應(yīng)變傳遞法、數(shù)值模擬分析方法。兩種理論具體的計算方法又有數(shù)值計算法、解析法、簡化計算法。就分析理論而言,波動理論和有限元分析是地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析的兩種主要手段。目前地下結(jié)構(gòu)抗震采用的計算方法主要有反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法及時程分析法等。上述方法為管廊進行地震反應(yīng)分析提供了可能。

2 中國地下綜合管廊現(xiàn)狀調(diào)查及特點分析

2.1 中國地下綜合管廊工程實例

管廊很早就在外國開始建設(shè)，已有很長的建設(shè)歷史及工程建設(shè)里程。而中國管廊的建設(shè)僅近些年才開始大量出現(xiàn)，因此只總結(jié)了目前中國管廊建設(shè)試點開始前的典型項目、管廊非建設(shè)試點典型項目及管廊建設(shè)試點典型項目，如表2～表4所示。

表4 中國地下綜合管廊建設(shè)試點典型項目

表2 中國地下綜合管廊建設(shè)試點前典型項目

表3 中國地下綜合管廊非建設(shè)試點典型項目

2.2 地下綜合管廊工程實例特點分析與總結(jié)

基于下列管廊工程實例，對中國建設(shè)的管廊進行總結(jié)有如下特點。

(1)就建設(shè)區(qū)域而言：管廊試點前的建設(shè)主要分布在北京、上海、珠海等中東部大城市；試點及非試點建設(shè)城市除了上述中東部城市外，還增加了其他地區(qū)的城市，這些城市中多數(shù)是各省經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)，且大多數(shù)集中分布在新區(qū)。

(2)就結(jié)構(gòu)形式而言：結(jié)構(gòu)形式最多的是整體現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，其次是預(yù)制結(jié)構(gòu)。

(3)就施工方法而言：在新區(qū)建設(shè)主要以明挖法施工為主，在山地或中心城區(qū)多數(shù)采用暗挖或盾構(gòu)法施工。頂管法施工一般是結(jié)構(gòu)進行跨越時對上述施工方法的一種輔助。

(4)就截面形式而言：矩形仍是目前采用最多的形式；隨著盾構(gòu)法施工的增多，圓形截面也逐漸增多；有極少部分采用異形，如品字形、拱形、半圓形、弧形、門洞形等。

(5)就艙室數(shù)量而言：采用較多的艙室數(shù)量主要集中在單艙、雙艙、三艙；而前期建設(shè)的管廊艙室在三艙以上的幾乎很少，后來逐漸有四艙、五艙，對于六艙及以上的則更少；多數(shù)采用的是單層，其中少部分采用的是雙層。

(6)就結(jié)構(gòu)材料而言：多數(shù)采用的是鋼筋混凝土，部分采用波紋鋼、竹纏繞混凝土等材料。

(7)就地質(zhì)條件而言：中國地質(zhì)條件多樣且復(fù)雜，管廊建設(shè)有以上海等為例的軟土區(qū)，西安等的黃土區(qū)、含地裂縫區(qū)，沈陽、哈爾濱等的凍土區(qū)，六盤水等的巖溶區(qū)、山區(qū)，重慶、成都等的山地地區(qū)等等。

(8)就抗震等級及地震烈度分布而言：通過查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015),25個管廊建設(shè)試點城市分布在地震烈度為Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ的分別有2、17、4個。

(9)就工程體量而言：前期的管廊大多距離較短、多以單條建設(shè)為主；近年建設(shè)的管廊多以成片開發(fā)為主，形成各種整體布局形式，工程體量都較大。

(10)就共建結(jié)構(gòu)而言：管廊大多分布在道路及綠化帶下結(jié)合道路建設(shè)；也有部分與隧道、地鐵、地下快速路、地下商業(yè)街、地下人防等結(jié)合共建成的大型地下綜合體。

(11)就交叉節(jié)點而言：監(jiān)控中心與管廊的連接處的交叉節(jié)點；整體布局建設(shè)的管廊之間“L”形、“T”形、“十字”形交叉節(jié)點，如珠海橫琴新區(qū)、廈門集美新城、青島高新區(qū)、合肥高新區(qū)、正定新區(qū)等。

(12)就跨越結(jié)構(gòu)及跨越形式而言：長線形管廊結(jié)構(gòu)，在長跨度內(nèi)不可避免地要跨越障礙，多采用下穿形式跨越河道、鐵軌、海灣等，采用上跨形式跨越地鐵、隧道等。

(13)就埋置深度而言：管廊建設(shè)大多屬于淺層開發(fā)，采用明挖施工的大多為淺埋，而采用盾構(gòu)施工、跨越障礙以及與地下結(jié)構(gòu)共建時多為深埋；但目前，總體來看多為淺埋。

從以上總結(jié)可知：

其一，管廊主要是在人口眾多、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)建設(shè)，且數(shù)量在不斷增多，其抗震性能應(yīng)得到足夠重視。

其二，管廊的抗震問題必須要考慮結(jié)構(gòu)形式、施工方法、截面形式、艙室數(shù)量、結(jié)構(gòu)材料、場地條件、共建結(jié)構(gòu)、跨越結(jié)構(gòu)及跨越形式、埋置深度、交叉節(jié)點、所處地區(qū)地震烈度、地震動特性等因素的影響。

其三，由于各地區(qū)管廊規(guī)劃、建設(shè)布局不斷完善，最終會在城市地下空間中形成巨大的管廊網(wǎng)體系，同時由于管廊多建設(shè)在城區(qū)，地面建筑物林立，因此在考慮上述影響因素的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮“城市效應(yīng)”對其地震響應(yīng)的影響。

3 地下綜合管廊地震響應(yīng)研究

3.1 地下綜合管廊地震響應(yīng)研究文獻分析

在中國知網(wǎng)以管廊或共同溝抗震、地震、振動臺試驗等相關(guān)詞語為檢索詞，并對文獻檢索原始數(shù)據(jù)進行人工識別及篩選，中國從2007年出現(xiàn)首篇文獻到目前為止，共有133篇有關(guān)管廊地震響應(yīng)研究的文獻，每年文獻發(fā)表量如圖1所示。

圖1 中國地下綜合管廊有關(guān)地震響應(yīng)研究的發(fā)文量統(tǒng)計Fig.1 Statistics of papers published on seismic response studies of underground utility tunnel in China

2007—2016年，每年發(fā)文量僅僅幾篇，2017年開始在逐漸增加，主要原因是地下綜合管在中國的建設(shè)快速增加，隨之相關(guān)的研究也逐漸增多。管廊地震響應(yīng)相關(guān)研究以同濟大學(xué)[10-18]、廈門理工學(xué)院[19-23]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[24-30]、中國地震局工程力學(xué)研究所[31-32]等科研院校和研究機構(gòu)為代表，其中李杰[10]、岳慶霞[11-13]、蔣錄珍[14-18]、施有志[19-23]、馮瑞成[24-25]、王鵬宇[32]等研究者進行了不少研究，如李杰團隊展開了較多的管廊地震響應(yīng)的振動臺試驗研究、施有志等則展開了較多的數(shù)值模擬研究，為中國管廊地震響應(yīng)研究及其發(fā)展做出了很大貢獻。

3.2 地下綜合管廊地震響應(yīng)研究

首先對國外的相關(guān)研究進行闡述，然后從模型試驗、數(shù)值模擬(地質(zhì)條件、地震波、預(yù)制結(jié)構(gòu)等)方面對中國管廊的地震響應(yīng)及抗震研究進行詳細闡述。

3.2.1 國外地下綜合管廊地震響應(yīng)研究

早期建設(shè)的管廊大多并未考慮抗震設(shè)計，隨著管廊地震震害的不斷出現(xiàn)，各研究者開始展開對已建管廊的抗震加固及改造等方面的研究，以提出應(yīng)對措施。高田至郎等[33]對各種市政管線、管廊進行了抗震設(shè)計研究，給出了抗震設(shè)計方法的適用情況、抗震設(shè)計基本方針及指南，并針對可能產(chǎn)生滑坡、液化等情況提出了相應(yīng)的預(yù)防及治理措施。Shigeki等[34]利用原位試驗測試了某盾構(gòu)管廊隧道復(fù)合隔震橡膠材料的減震性能，試驗結(jié)果表明由該減震材料形成的減震層具有一定的剪切模量和剪切能力，有較好的減震隔震效果。Kozak等[35]在Posey和Webster街圓形多艙鋼制管廊抗震加固中，利用ADINA軟件研究管廊多點地震激勵下的整體響應(yīng)，通過提出的多層次分析方法估計了結(jié)構(gòu)的可靠度，并給出了相應(yīng)的設(shè)計加固措施與方法。Beaty[36]對砂土液化導(dǎo)致的管廊破壞機理進行了研究，并提出了一種估算由液化引起結(jié)構(gòu)位移的方法。Kimura等[37]以實例工程為依托，提出一種短距離施工具有優(yōu)越性的新山區(qū)隧道法，用以解決結(jié)構(gòu)在施工中可能遇到的高地下水位軟土地區(qū)問題，通過從施工方法優(yōu)化的角度出發(fā)來改善管廊等淺埋地下結(jié)構(gòu)的抗震性能。Nishioka等[38]提出了一種簡化的矩形截面管廊抗震性能評估方法。Shamsabadi等[39]展開了一系列管廊地震響應(yīng)方面的研究，深入分析了結(jié)構(gòu)與土相互作用機理，也提出了相應(yīng)的加固方案以此指導(dǎo)管廊等隧道結(jié)構(gòu)的抗震加固。Diemer等[40]和Caulfield等[41]對供水管廊進行了地震模型試驗研究，給出了管廊抗震評價體系，為美國加州供水管廊提出了具體的抗震加固方案。Nakanura等[42]通過試驗對某管廊側(cè)墻進行了研究，研究表明結(jié)構(gòu)在墻板連接處出現(xiàn)剪切失效，通過螺栓和碳纖維布加固能有效提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力和延性。Myerson等[43]利用ANSYS軟件對舊金山輔助供水系統(tǒng)海水取水圓形隧道的抗震性能展開研究以評估其抗震可靠性，研究指出了兩種進水隧洞口幾種可能的損壞情況且進行了模擬分析，并對此提出了相應(yīng)的加固措施指導(dǎo)加固施工。

除上述對管廊抗震加固等方面的研究，有不少研究者利用模型試驗及數(shù)值模擬等方法研究了管廊的地震響應(yīng)。Tsinidis等[44]利用劍橋大學(xué)離心機對軟土中矩形淺埋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進行了試驗研究，并利用ABAQUS軟件展開了二維數(shù)值模擬研究與試驗研究進行對比分析，試驗和模擬研究揭示了結(jié)構(gòu)的振動模式、應(yīng)力最大分布區(qū)域及結(jié)構(gòu)的動彎矩與動土壓力的變化規(guī)律。Baziar等[45]設(shè)計并展開了動力離心試驗，即研究淺埋地下箱型隧道的抗震性能又研究地下隧道結(jié)構(gòu)的存在對地表加速度等的影響，并用有限差分軟件進行數(shù)值模擬驗證，兩者吻合較好，研究結(jié)果指出了地下結(jié)構(gòu)的存在對地表加速度既有正效應(yīng)也有負效應(yīng)影響的規(guī)律，強調(diào)為城市地區(qū)地震區(qū)劃時應(yīng)考慮其影響，尤其要注意對地面長周期高層建筑結(jié)構(gòu)的負效應(yīng)的影響。Ulgen等[46]對一個相對柔性的矩形地下結(jié)構(gòu)進行了一系列的動態(tài)離心試驗，在考慮土結(jié)構(gòu)動力相互作用的同時，研究了土與埋地結(jié)構(gòu)模型在不同加速度和頻率的諧波運動下的響應(yīng)，指出了矩形地下結(jié)構(gòu)的動力特性。Debiasi等[47]用數(shù)值模擬的方法研究了淺埋矩形地下結(jié)構(gòu)在考慮不同影響因素下的地震響應(yīng)，結(jié)果指出淺埋矩形結(jié)構(gòu)在土-結(jié)構(gòu)界面處受到很大的非線性摩擦效應(yīng)影響、土-結(jié)構(gòu)相互作用隨埋深減小而平穩(wěn)轉(zhuǎn)變、剛性結(jié)構(gòu)比柔性結(jié)構(gòu)在土-結(jié)構(gòu)界面處受滑動的影響更大、低高寬比的剛性結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象。Pitilakis等[48]則利用ADINA軟件研究分析了考慮臨近地上結(jié)構(gòu)相互作用對淺埋圓形隧道橫截面地震響應(yīng)的影響，研究指出與“自由場條件”相比，地上結(jié)構(gòu)的存在對剪切波場、隧道橢圓變形模式的影響在淺埋結(jié)構(gòu)中更為顯著，在對土-結(jié)相對柔度、隧道襯砌、隧道尺寸等影響因素的研究也得到相同結(jié)論。Tsinidis[49]也利用ABAQUS軟件在考慮土-隧道相對剛度及其界面特性、隧道斷面形狀、尺寸及埋深等多個影響隧道動力響應(yīng)的主要參數(shù)基礎(chǔ)上研究了矩形隧道結(jié)構(gòu)在軟土地基中橫向地震作用的響應(yīng)特征，并重點分析隧道復(fù)雜變形模式、周圍土體動土壓力和土動剪應(yīng)力及襯砌動力等響應(yīng)特征，通過建立系列數(shù)值柔度比(R-F)關(guān)系式及與之相似的無量綱(θ/γff-F)關(guān)系式分別定量計算矩形隧道的變形及震動響應(yīng)，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)高寬比越大截面轉(zhuǎn)動越大，土-結(jié)界面情況對結(jié)構(gòu)動軸力影響很大，對于柔性結(jié)構(gòu)來說周圍土的屈服反應(yīng)對動內(nèi)襯力影響特別明顯，彈性土完全粘結(jié)時得到的動彎矩、軸力在板及墻中呈反對稱分布，得出的隧道結(jié)構(gòu)震動變形模式與文獻[44]相同。Asheghabadi等[50]基于有限元數(shù)值模擬，采用頻譜分析方法，分析了在低、中、高頻實際地震波作用下不同超固結(jié)黏土層對地震波的放大效應(yīng)及土-結(jié)相互作用對淺埋圓形隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響，分析結(jié)果指出土體表面及土-結(jié)構(gòu)接觸面分別為自由場模型及整體模型的最大地震響應(yīng)位置，各黏土自由場表面對地震波具有放大效應(yīng)，地面峰值加速度很大程度上決定結(jié)構(gòu)的損害程度，在中頻地震波下自由場振幅、土-結(jié)界面主應(yīng)力均達到最大，最小主應(yīng)變及主應(yīng)力則出現(xiàn)在隧道頂部和底部。Gebremedhn等[51]利用ABAQUS軟件對兩縱向相鄰淺埋預(yù)制管廊展開了在不同振幅下的地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果顯示管廊及土體出現(xiàn)了破壞前需要最大警戒區(qū)的地震應(yīng)力灰色區(qū)域，并指出管廊位移變化是由地基沉降導(dǎo)致，該研究極大地方便了對縱向相鄰預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)地震應(yīng)力分布的分析研究。

其他學(xué)者的相關(guān)研究，如Han等[52]在基于蒙特卡羅模擬的基礎(chǔ)上對概率場地響應(yīng)進行分析，通過建立的考慮概率場地響應(yīng)地震易損性曲線并與其他地震易損性曲線進行對比，研究了考慮概率場地反應(yīng)淺埋單艙矩形管廊結(jié)構(gòu)的地震易損性，指出韓國國內(nèi)當(dāng)前管廊的抗震設(shè)計較為保守，偏于安全，該研究對應(yīng)用到其他地區(qū)的管廊結(jié)構(gòu)易損性需進一步分析研究。Choi等[53]通過兩階段方法分析了地基液化風(fēng)險，對韓國東南地區(qū)電力管廊地震液化風(fēng)險進行分析評估，分析評估結(jié)果揭示了該地區(qū)的地震液化危險性情況，研究中采用的兩階段方法評估地震液化被證明是合理有效的，而且可以擴大應(yīng)用到地震時受到液化災(zāi)害影響的其他地區(qū)用以制訂有效的應(yīng)對措施。

3.2.2 中國地下綜合管廊地震響應(yīng)試驗研究

岳慶霞[11]利用矩形層狀剪切砂箱進行了自由場振動臺試驗及單個振動臺的單艙矩形管廊橫向振動臺試驗，并利用ABAQUS有限元軟件建立了模型箱及自由場的三維分析模型、存有結(jié)構(gòu)的三維整體分析模型并進行了非線性動力分析，研究表明：數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好。馮瑞成[24]利用特制矩形模型箱進行了雙艙矩形管廊橫向振動臺試驗，模擬研究結(jié)構(gòu)及管線在水平地震作用下的抗震性能，研究表明：淺埋管廊結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)、混凝土應(yīng)變等動力響應(yīng)及土-結(jié)構(gòu)相互作用在強地震作用下非常明顯。并利用ANSYS有限元軟件模擬分析了三維結(jié)構(gòu)及管線的動力特性，結(jié)果指出：結(jié)構(gòu)及管線的加速度反應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果變化較明顯，而結(jié)構(gòu)混凝土的應(yīng)變反應(yīng)試驗結(jié)果變化較明顯，總體上兩者的變化趨勢基本一致，符合較好。史曉軍等[54]開展了單艙矩形管廊橫截面大型振動臺試驗，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)服從周圍土體的加速度反應(yīng)，結(jié)構(gòu)角部出現(xiàn)內(nèi)力最大值，結(jié)構(gòu)頂?shù)装逯g出現(xiàn)層間位移，側(cè)板處土-結(jié)相互作用力對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響大。湯愛平等[25]進行了在均質(zhì)黏質(zhì)粉土場地條件下的雙艙矩形管廊結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究，試驗結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)受地震動強度、土體性質(zhì)、埋設(shè)深度、結(jié)構(gòu)形式、管廊內(nèi)結(jié)構(gòu)物的支撐形式和材料的影響顯著，并提出在非均質(zhì)場條件下土-結(jié)相互作用可能更明顯，隔墻可能是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。李杰等[10]展開了一致激勵作用下自由場及單艙矩形管廊結(jié)構(gòu)橫向振動臺試驗，研究結(jié)構(gòu)在合成波和EI-Centro波作用下的非線性動力反應(yīng)，用ABAQUS有限元軟件來模擬分析振動臺試驗并進行對比分析，分析結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與振動臺試驗結(jié)果一致性較強，所建模型能反映結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征，能近似模擬試驗情況。Chen等[55]通過振動臺試驗研究了不同相干模型對某單艙矩形管廊抗震性能的影響，并重點分析了相干模型在低頻和高頻下衰減的影響，研究結(jié)果指出采用不同的相干模型時結(jié)構(gòu)的抗震性能有明顯差異，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度響應(yīng)分別與低頻和高頻相干模型的衰減有關(guān)。Duan等[56]以西安市黃土地區(qū)某預(yù)制單艙矩形管廊為對象展開了系列的振動臺試驗及數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明模型地基淺部的邊界效應(yīng)比深部明顯，黃土地基中淺埋結(jié)構(gòu)的加速度放大效應(yīng)較明顯，結(jié)構(gòu)上下角點處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，接頭處的縱向應(yīng)變比節(jié)段中間位置的縱向應(yīng)變大29%，并提出對內(nèi)部管道要采取減震隔震措施。仉文崗等[57]利用小型疊層式鋼制剪切土箱振動臺系統(tǒng)對雙艙管廊在不同地震波作用下的抗震性能展開了試驗研究，并利用ABAQUS軟件建立二維模型模擬分析并與試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在規(guī)律上吻合度很高，一定程度上證明了試驗結(jié)果的可信性，并總結(jié)得出了沿結(jié)構(gòu)側(cè)壁深度最大土壓力響應(yīng)的分布形式、最大加速度響應(yīng)的變化形式、結(jié)構(gòu)整體及拐點處彎矩的響應(yīng)特點。王振強等[7]以某實際工程為依托，進行了單艙矩形管廊橫向一致激勵振動臺模型試驗研究，研究分析了管廊在EI-Centro地震波不同峰值加速度作用下結(jié)構(gòu)及土體的動力響應(yīng)、土-結(jié)構(gòu)相互作用的機理，試驗結(jié)果表明土-結(jié)構(gòu)相互作用明顯、強震會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)壁與土體脫離、土體會產(chǎn)生位移并出現(xiàn)明顯的土拱效應(yīng)、結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)變與峰值加速度成正相關(guān)，并指出要重視對結(jié)構(gòu)變形最明顯的中部截面及變形位移最大的截面四周角點關(guān)鍵部位的抗震設(shè)計。馮立等[58]基于單箱振動臺展開了考慮接縫存在對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響的不同工況下單艙矩形管廊水平橫向地震激勵的模型試驗研究，試驗結(jié)果表明：強震作用下接縫的位移變形較小，接縫截面的彎矩小于其他部位，接縫構(gòu)造起到了一定的減震作用及有利于結(jié)構(gòu)抗震。Ding等[59]通過一系列有無接頭的單艙矩形管廊振動臺試驗，研究了接頭對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，試驗結(jié)果顯示，節(jié)點連接能明顯降低結(jié)構(gòu)的加速度、峰值應(yīng)變、彎矩及水平土壓力的響應(yīng)，不同類型地震波對節(jié)點變形影響較小，指出節(jié)點的存在不會威脅結(jié)構(gòu)的安全性，有節(jié)點連接結(jié)構(gòu)的抗震性能較無節(jié)點連接的好。然而上述研究幾乎都集中在一致地震激勵下結(jié)構(gòu)橫截面地震響應(yīng)方面，蔣錄珍等[14]用ABAQUS有限元軟件對管廊縱向無接頭非一致激勵作用下振動臺試驗進行了三維模擬分析并與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：模型箱的邊界效應(yīng)小，模型能較好地模擬土體的動力非線性特性，其動力特性結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。史曉軍等[60-61]針對非一致地震激勵作用下振動臺陣試驗，設(shè)計了能滿足在相互垂直的兩個方向上均發(fā)生層間剪切變形的模型箱，并進行了自由場振動臺試驗，對模型箱邊界效應(yīng)進行了定量分析和對比，驗證了所制模型箱具有良好的模擬自由場水平地震動特性的性能，在此基礎(chǔ)上展開了非一致地震激勵作用下單艙矩形管廊振動臺試驗，文中詳細介紹了試驗方案設(shè)計、開洞試驗?zāi)Ｐ拖渑c模型結(jié)構(gòu)設(shè)計等試驗方法，并開發(fā)出土體滑移傳感器和地下結(jié)構(gòu)接頭變形測量裝置以及給出人工合成輸入地震波的法方與步驟，進行了有接頭與無接頭的橫向、縱向非一致激勵，為后續(xù)陳雋等[62]主要對縱向非一致地震激勵下管廊模型試驗結(jié)果進行分析提供了支持，模型試驗結(jié)果分析表明：模型場地的動力特性規(guī)律與實際地震較為一致，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變分布為中部大兩端小，指出非一致地震激勵是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向內(nèi)力響應(yīng)及縱向應(yīng)變響應(yīng)的根本原因，非一致地震激勵作用的影響在管廊進行抗震設(shè)計時不容忽視，且試驗結(jié)果為蔣錄珍等[15]建立可靠的無接頭橫向、縱向非一致地震激勵振動臺模型試驗數(shù)值分析模型提供了依據(jù)，通過對數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果進行對比分析表明模型箱的邊界效應(yīng)較小，在加速度、位移、應(yīng)變響應(yīng)方面吻合較好，從而驗證了建模方法及振動臺試驗結(jié)果的合理性。蔣錄珍還在文獻[63]進行了非一致地震激勵下帶施工縫的管廊振動臺試驗并以ABAQUS軟件為平臺進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明兩者吻合較好，非線性彈簧單元可模擬施工縫。以及在文獻[64]中針對小型單艙矩形管廊展開了一系列振動臺試驗研究，在此基礎(chǔ)上考慮材料非線性、土-結(jié)相互作用、模型箱邊界效應(yīng)等進行了有限元模擬，通過試驗及模擬研究發(fā)現(xiàn)土、結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)吻合較好，驗證了試驗設(shè)計及數(shù)值模型建立的正確性，可用于進一步研究分析。文獻[65]設(shè)計了試驗及其裝置并展開了一系列對比試驗，結(jié)果表明非一致地震激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)更明顯，施工縫位移運動和轉(zhuǎn)動主要是由于非一致地震激勵引起的，縱向振動時接縫運動累積在一個施工縫中，橫向振動時不同施工縫的運動和轉(zhuǎn)動是相似的，在進行抗震設(shè)計中應(yīng)考慮地震激勵的空間分布效應(yīng)。文獻[66]通過振動臺試驗及縮尺結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬，研究了在橫向非一致地震激勵下管廊的抗震性能，研究結(jié)果指出模型結(jié)構(gòu)在較高強度的地震作用下會發(fā)生彎曲變形，所建數(shù)值模型能較好地反映非線性彈塑性行為，可進一步用于實際結(jié)構(gòu)的數(shù)值振動臺試驗和數(shù)值分析。禹海濤等[67]以港珠澳大橋沉管兩孔一管廊矩形橫斷面隧道、蘇通GIL(氣體絕緣金屬封閉輸電線路)特高壓圓形盾構(gòu)管廊隧道為例，展開多點大型振動臺陣試驗研究，并詳細分析了長大隧道非一致地震響應(yīng)分析原理和試驗方法的適用性。除上述一致及非一致振動臺試驗研究，還進行了一些擬靜力試驗，如魏奇科等[68]以配箍率和錨固長度為參數(shù)，進行了多個整體現(xiàn)澆和疊合裝配式管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能試驗用以研究疊合裝配式節(jié)點的抗震性能，對試件的破壞形態(tài)和力學(xué)特征進行了分析，最后給出了防止節(jié)點發(fā)生剪切破壞、錨固破壞并提高節(jié)點受彎承載力的配箍率和錨固長度值。Hu等[69]對“L”形、“T”形兩個足尺管廊預(yù)制節(jié)點試件進行了擬靜力試驗，用以研究一種新型的扣頭鋼筋錨固管廊預(yù)制節(jié)點的抗震性能，試驗結(jié)果指出該預(yù)制節(jié)點的試件承載力、延性、耗能等抗震性能參數(shù)均能滿足抗震設(shè)計要求，但節(jié)點核心區(qū)損傷嚴(yán)重，需采取必要的加固措施。張可等[70]通過低周反復(fù)荷載試驗對疊合裝配式管廊節(jié)點進行地震損傷研究，試驗結(jié)果表明，疊合裝配式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點結(jié)構(gòu)性能相近，基于兩種不同損傷指數(shù)模型對節(jié)點進行損傷分析表明修正的歐進萍雙參數(shù)地震損傷模型可很好地反映節(jié)點的損傷過程。楊艷敏等[71]采用低周往復(fù)荷載擬靜力試驗的方法研究了一種單艙矩形疊合裝配式管廊在水平橫向地震作用下的破壞形態(tài)，研究結(jié)果指出該種疊合裝配式結(jié)構(gòu)的薄弱位置為預(yù)制與后澆接觸面及腋角處，并為此提出了相應(yīng)的工藝改進措施，但發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)具有較好的延性性能及良好的抗震性能。Liu等[72]利用地面微震試驗及數(shù)值模擬分別獲得波紋鋼管廊模型結(jié)構(gòu)、原型結(jié)構(gòu)的固有頻率，將計算得到的微震試驗值及模擬值的比值與振動臺試驗設(shè)計測得的相似比進行比較，研究表明模型試驗與設(shè)計的準(zhǔn)確性、模型邊界條件的不可忽略性，且地面微震試驗是一種獲取模型結(jié)構(gòu)固有頻率的有效方法，頻率比較法也是一種綜合評價模型結(jié)構(gòu)是否合理的有效方法。目前波紋鋼在橋梁及箱涵等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較多，相關(guān)的地震響應(yīng)及抗震的研究也較多，而在管廊中的應(yīng)用較晚且未得到大范圍的應(yīng)用，相關(guān)的地震響應(yīng)及抗震的研究幾乎空白，雖然文獻[72]的研究只是初步針對波紋鋼管廊固有頻率的研究，但卻能為該類管廊地震響應(yīng)振動臺的最初模型設(shè)計和試驗準(zhǔn)備提供一種參考與方法，進一步推動并豐富相關(guān)的研究。

3.2.3 中國地下綜合管廊在不同場地條件下的地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

Yang等[73]利用FLAC3D軟件模擬研究淺埋雙艙矩形管廊在液化土場中的地震響應(yīng)，分析了土摩擦角、剪脹角等特性對液化的影響，研究結(jié)果指出液化土中結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力明顯增大，最大內(nèi)力是靜態(tài)荷載的兩倍，可以通過增大摩擦角、剪脹角的方法來減小土體液化及其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)隆起等問題。文獻[74]利用FLAC3D軟件對可液化土中淺埋單艙矩形管廊橫斷面進行了有效應(yīng)力動力模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)軟土對地震加速度具有放大效應(yīng)，地震時結(jié)構(gòu)底部土體液化現(xiàn)象更明顯，土體液化使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)向和上浮位移，并指出由這兩種位移導(dǎo)致的側(cè)墻中部及節(jié)點處出現(xiàn)較大內(nèi)力問題應(yīng)采取措施加以防治，強調(diào)在用反應(yīng)位移法進行管廊可液化場地下應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)頂、底部位移。申騫等[75]利用FLAC2D軟件對強震水下盾構(gòu)管廊砂土液化區(qū)穿越方案進行對比分析，研究表明通過地層加固可以顯著提高場地土的抗液化能力，顯著降低襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，明顯減少襯砌結(jié)構(gòu)的變形，通過分析比較在達到安全與經(jīng)濟平衡的前提下給出了地基加固處理的范圍值、地基強度參數(shù)提高的倍數(shù)值。杜盼輝[26]采用ABAQUS有限元軟件建立了穿越非均勻土體管廊三維模型，模擬研究了結(jié)構(gòu)在橫向和縱向地震激勵下的響應(yīng)規(guī)律，研究結(jié)果表明：在橫向和縱向地震激勵下砂土和黏土中的加速度峰值放大系數(shù)規(guī)律與結(jié)構(gòu)橫截面震動方向上的加速度規(guī)律都有較大差異，橫向激勵下結(jié)構(gòu)易發(fā)生水平向彎曲變形及中間位置受拉壓破壞或交界處受剪切破壞，縱向激勵下結(jié)構(gòu)整體及土體交界位置易發(fā)生彎曲變形。馬建華等[76]采用MIDAS-Soilworks軟件對砂土地區(qū)單艙矩形管廊結(jié)構(gòu)展開了在反應(yīng)加速度法、反應(yīng)位移法、時程分析法三種抗震分析方法下的二維橫向地震作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值模擬，結(jié)果表明：三種抗震分析方法對單艙矩形管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計具有一定的適用性，結(jié)構(gòu)內(nèi)力極值呈現(xiàn)相似又有差別的規(guī)律，結(jié)構(gòu)側(cè)墻與底板角點一定范圍內(nèi)是結(jié)構(gòu)的薄弱及重點防護部位。蔣錄珍等[16]基于飽和土體有效應(yīng)力原理，為避免在進行靜、動力耦合分析過程中采用單一土體本構(gòu)而不能同時準(zhǔn)確反映土體變形特性分別采用了兩種土體非線性本構(gòu)模型，對單艙矩形管廊在飽和兩相土體場下展開了動力有限元模擬，并分析了在不同影響因素作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，分析結(jié)果得出土體存有一個最佳孔隙率使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最小，結(jié)構(gòu)變形隨著地震波加速度峰值、入射角度等的增加而變大，以及飽和兩相介質(zhì)—管廊結(jié)構(gòu)的簡化計算方法。馬偉奇[77]利用FLAC3D軟件模擬分析了包頭地區(qū)某雙艙矩形管廊在不同覆蓋土層條件下的地震響應(yīng)，研究覆土層對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，研究結(jié)果給出了不同覆土條件對土體與結(jié)構(gòu)兩者之間峰值加速度差異的影響程度、結(jié)構(gòu)位移變形的可能形式及位移的大小、結(jié)構(gòu)應(yīng)力值及其狀態(tài)，并針對粉土層中結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大而提出了相應(yīng)的減震措施。王英浩等[78]利用FLAC3D軟件對凍土場下雙艙矩形管廊的地震響應(yīng)進行模擬分析，分析結(jié)果表明：凍土對速度時程具有放大作用、能抑制土體及結(jié)構(gòu)頂板的橫向變形位移，并針對位移情況及應(yīng)力集中位置，提出了優(yōu)化施工工藝、提高結(jié)構(gòu)頂板抗壓強度、改變結(jié)構(gòu)截面形式等建議來改善結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。武華僑[27]用 ABAQUS 軟件建立了由地震引起的斷層位移作用下的雙艙矩形管廊三維模型，研究結(jié)構(gòu)在走滑斷層位移、逆斷層位移作用下的地震響應(yīng)特性及破壞過程，并詳細分析了逆斷層位移條件下斷層傾角、斷層破碎帶寬度、結(jié)構(gòu)埋深等因素對管廊反應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明：不管何種斷層形式，斷層位移量的增加都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對位移及變形范圍的增加，在逆斷層條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變作用更強，剪應(yīng)力分布與斷層形式也有很大的相關(guān)性，在結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響因素中斷層傾角、破碎帶寬度、結(jié)構(gòu)埋深的影響程度依次降低。朱琳[79]運用ABAQUS軟件對正交穿越黃土地區(qū)地裂縫的三艙矩形大斷面管廊進行了數(shù)值模擬，對管廊在不同影響條件下地裂縫活動所造成的危害性進行研究，并針對地裂縫所造成的危害性從結(jié)構(gòu)角度入手提出了設(shè)置不同變形縫的防范措施。閆鈺豐等[80-81]以西安市某五艙非對稱管廊為研究對象，采用Midas GTS有限元軟件模擬及理論解析，分析了地裂縫錯動作用下分段管廊的變形與受力特征，研究指出了結(jié)構(gòu)沿縱向的變形區(qū)域，結(jié)構(gòu)頂、底板的應(yīng)變規(guī)律，提出了分段設(shè)縫、設(shè)置柔性接頭等防治措施并對其進行了合理性驗證。楊永強[82]利用ABAQUS軟件建立了斜交地裂縫環(huán)境下三艙矩形管廊反應(yīng)三維非線性分析模型，模擬研究不同影響因素下地裂縫時結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律及危害性，研究指出了在不同錯位量、不同斜交角度下結(jié)構(gòu)的變形形式及應(yīng)力集中位置，并給出在工程建設(shè)中應(yīng)避免小角度斜交地裂縫及設(shè)置變形縫減少地裂縫病害的建議。王啟耀等[83]采用ABAQUS軟件建立了以70°大角度斜穿地裂縫的雙艙矩形管廊模型，模擬分析跨地裂縫段結(jié)構(gòu)的變形與受力特征，分析結(jié)果指出了造成結(jié)構(gòu)主要變形的形式和變形的原因、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)及變化規(guī)律，并對此提出了在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采取的措施。

3.2.4 中國地下綜合管廊交叉節(jié)點地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

趙丹陽[28]首次利用ABAQUS軟件建立了兩個單艙矩形管廊的十字形交叉節(jié)點三維整體分析模型，對在特定地震波單向及雙向作用下交叉節(jié)點的地震反應(yīng)進行了研究對比分析，研究分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)與土體在單一方向的運動特征基本保持一致，但在強震作用下卻有較大差異，單向地震作用下與地震動傳播方向垂直的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)比傳播方向的更大，雙向地震作用下非主震方向結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)更大，且節(jié)點易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。楊仕升等[84]、姜龍等[85-86]利用ANSYS有限元軟件對三艙矩形管廊典型節(jié)點在水平向、豎向和雙向作用下的地震響應(yīng)展開二維模擬分析，并對不同影響因素條件下管廊典型節(jié)點的地震響應(yīng)進行了分析對比，研究表明，在三類方向作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律基本一致，其中水平向地震作用對典型節(jié)點地震響應(yīng)的影響占主導(dǎo)地位，板、壁交接處為典型節(jié)點的薄弱部位，并指出不同影響因素條件對典型節(jié)點地震響應(yīng)的影響程度及規(guī)律。Wang等[87]利用ABAQUS軟件研究了管廊十字型交叉節(jié)點的地震響應(yīng)特征，研究表明交叉節(jié)點的存在增加了沿結(jié)構(gòu)軸線方向振動的內(nèi)力并引起剪力和扭矩的出現(xiàn)，在交叉節(jié)點處結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加效應(yīng)最為明顯，彎矩成為結(jié)構(gòu)截面的控制內(nèi)力，扭矩成為另一結(jié)構(gòu)截面的控制內(nèi)力。上述研究主要是針對局部簡單結(jié)構(gòu)(如單艙交叉節(jié)點、通風(fēng)口)的地震響應(yīng)；而黃德洲[88]基于ABAQUS軟件以某三艙、四艙矩形管廊中三艙-四艙復(fù)雜交叉節(jié)點為研究對象，建立了三維整體分析模型，展開了在硬質(zhì)土、軟質(zhì)土條件下結(jié)構(gòu)及復(fù)雜交叉節(jié)點的地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究，考察了土質(zhì)及土體參數(shù)對復(fù)雜交叉節(jié)點結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明：硬質(zhì)土下交叉節(jié)點結(jié)構(gòu)的相對位移沿結(jié)構(gòu)深度逐漸增加，底板及構(gòu)件連接處所受影響最大出現(xiàn)應(yīng)力集中，軟質(zhì)土下交叉節(jié)點結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)都較硬質(zhì)土下的明顯，但變形趨勢相似，應(yīng)力值和應(yīng)變值都隨土體彈性模量及黏聚力的增加而減小，并提出在進行抗震設(shè)計及施工時應(yīng)采取的應(yīng)對措施。管廊交叉節(jié)點的地震響應(yīng)研究目前還較少，需進一步展開這方面的研究。

3.2.5 中國預(yù)制裝配式地下綜合管廊地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

黃臣瑞[89]借助Midas /GTS 軟件以某三艙矩形上下分體預(yù)制裝配式管廊為研究對象，對其進行了橫向地震作用下的三維模擬分析，探討了包括橫向接頭位置等因素對預(yù)制管廊地震響應(yīng)的影響規(guī)律，利用反應(yīng)位移法、動力時程分析法分別研究了縱向接頭剛度、行波效應(yīng)下對預(yù)制管廊地震響應(yīng)的影響。黃文翾[90]利用ANSYS/LS-DYNA軟件研究預(yù)制拼裝管廊分塊接頭部位對管廊整體抗震性能的影響，首先對比分析了剛性接頭和柔性接頭的地震響應(yīng)差別，在此基礎(chǔ)上以整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)為參照分別研究了單艙、雙艙、三艙矩形管廊不同分塊結(jié)構(gòu)形式位移及內(nèi)力的地震響應(yīng)，研究指出接頭處是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)注意剛度及強度的要求，柔性接頭內(nèi)力偏小而變形偏大，而剛性接頭恰好相反，在預(yù)制雙艙斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)優(yōu)選五塊的分塊方式，針對三艙以上的大斷面應(yīng)選擇分艙預(yù)制的方式。王鵬宇[32]基于ABAQUS軟件首先研究了不同向及耦合地震作用下雙艙矩形管廊結(jié)構(gòu)及管道的響應(yīng)，并考慮地震動差異對結(jié)構(gòu)響應(yīng)及管道與支座接觸差異對管道響應(yīng)的影響進行分析，最后深入分析了兩種帶接頭的預(yù)制管廊體系在地震作用下的響應(yīng)。杜青等[91]提出了預(yù)制裝配式矩形鋼筋混凝土管廊節(jié)段的三維分離式恢復(fù)力模型，基于ADINA軟件采用反應(yīng)位移法模擬分析了單個節(jié)段試件的各種抗震性能指標(biāo)，并與試驗結(jié)果進行對比分析，分析結(jié)果表明：該分離式恢復(fù)力數(shù)值模型能很好地模擬結(jié)構(gòu)的抗震性能，并指出結(jié)構(gòu)有較好的延性，頂板與側(cè)墻連接處的節(jié)點區(qū)發(fā)生應(yīng)力集中破壞，為地震破壞的薄弱區(qū)。劉俊偉等[92]基于Midas Gen軟件，采用反應(yīng)位移法對6度地震設(shè)防的疊合矩形雙艙預(yù)制拼裝管廊在地震作用下的響應(yīng)展開研究，研究指出結(jié)構(gòu)的節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度較低時會使結(jié)構(gòu)頂板發(fā)生較大位移，艙室尺寸較寬時會導(dǎo)致較寬艙室發(fā)生較大的豎向位移。沙明元等[93]利用 FLAC2D軟件，選取典型砂土液化斷面，模擬了某強震區(qū)水下盾構(gòu)管廊在不同地震波作用下管片及土體的地震響應(yīng)，模擬結(jié)果指出不同地震波作用下，管片的位移變化規(guī)律及內(nèi)力變化趨勢相似，在EI-Centro波作用下結(jié)構(gòu)的變形和位移較汶川波作用下的大。宋金可等[94]借助ABAQUS軟件對港珠澳大橋沉管隧道進行地震時程非線性響應(yīng)分析，研究指出了沉管隧道截面損傷區(qū)的部位，沉放深度對結(jié)構(gòu)位移、截面應(yīng)力、結(jié)構(gòu)損傷程度影響都很大是沉管隧道結(jié)構(gòu)面臨的地震危害性大小的關(guān)鍵因素。該沉管隧道采用兩孔一管廊橫斷面，是行車隧道與管廊合建的大型大斷面復(fù)雜結(jié)構(gòu)，該研究豐富了大型預(yù)制綜合體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)方面的研究。

3.2.6 中國地下綜合管廊從地震波及其入射角方面的地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

岳慶霞等[11-12]基于ABAQUS軟件建立了三維整體分析模型，通過FFT技術(shù)合成隨機地震動波，并首次提出近似Rayleigh(R)地震波場的概念，研究了地震動輸入形式、行波效應(yīng)、近似R地震波等對管廊地震響應(yīng)的影響，研究表明：地震動以位移輸入方式具有更精確的結(jié)果，視波速越小對結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響越大，且隨著視波速的增大，結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化漸趨平穩(wěn)，對于淺埋等管廊結(jié)構(gòu)R波的影響不容忽視，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體彎曲變形，且表現(xiàn)出與剪切波作用不同的特點。Jiang等[95]基于ABAQUS軟件，分析了在瑞麗波作用下管廊橫截面的地震響應(yīng)，研究表明瑞麗波是引起管廊等淺埋地下結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向振動的關(guān)鍵因素，在進行管廊抗震設(shè)計時應(yīng)考慮瑞利波的效應(yīng)。Li等[96]提出近似R波并通過FFT(快速傅里葉變換)技術(shù)獲得瑞利波場，利用ABAQUS軟件研究了R波作用下矩形單艙管廊三維動力響應(yīng)，研究結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)主要發(fā)生整體彎曲變形、頂部變形大于底部變形且是其兩倍左右，R波是控制淺埋結(jié)構(gòu)響應(yīng)和損傷的關(guān)鍵因素。羅韜[97]利用小波變換和傅里葉變換對地震波進行低頻重構(gòu)以獲得整個近似R波場，并利用ABAQUS軟件建立了三維單艙矩形管廊整體分析模型，模擬分析了結(jié)構(gòu)在近似R波作用下的地震響應(yīng)，研究指出在近似R波作用下結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主，結(jié)構(gòu)上部應(yīng)力峰值大于下部的。施有志等[19]研究了R波等對管廊地震響應(yīng)影響的數(shù)值計算，基于Plaxis 3D軟件，通過邊界脈沖荷載生成R波，模擬分析了R波平行入射條件下雙艙矩形管廊的加速度、位移、內(nèi)力等響應(yīng)，并以此為對比研究了不同的土體本構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)斷面、埋深及R波入射角等因素對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明：R波的傳播對結(jié)構(gòu)受力有不利影響，而且埋深越淺、入射角越近接垂直結(jié)構(gòu)軸線、截面越小結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)越大，對結(jié)構(gòu)越不利。在此基礎(chǔ)上文獻[20]還建立了三維有限元模型，研究通過的R波沿軸向與不同底部地震加速度橫向共同作用下雙艙矩形管廊的動力響應(yīng)，研究指出底部橫向地震波主要影響結(jié)構(gòu)橫向動力響應(yīng)，沿軸向入射的R波主要影響多次脈沖荷載生成結(jié)構(gòu)縱向動力響應(yīng)，共同地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)較單一作用下顯著，不同底部地震加速度對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律相似但大小有所差異。劉鵬程[98]、王英浩等[99]利用包頭地區(qū)剪切波擬合成三種不同超越概率水平的地震加速度時程，基于Midas GTS 軟件，對將三種擬合地震加速度時程以縱、橫不同方向作用下土體及雙艙矩形管廊的各類地震響應(yīng)進行對比研究，研究結(jié)果指出對于長線型管廊結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時既要考慮橫向也要考慮縱向地震波的作用，并針對結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的薄弱部位結(jié)合規(guī)范要求提出了抗震設(shè)計建議。屈健[29]推導(dǎo)了連續(xù)固體介質(zhì)中的彈性波動方程，基于 MATLAB 編程對地震動斜入射等效荷載進行了批量求解，以實現(xiàn)地震動斜入射等效荷載的輸入，利用ABAQUS軟件分析了在三維空間下SV波不同角度斜入射地震動輸入時某雙艙矩形管廊體系的動力響應(yīng)，并分析了各因素對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明：隨著斜入射角度增加，土體及結(jié)構(gòu)切面上塑性狀態(tài)不斷增高、塑性區(qū)不斷擴大，SV波以30°入射時結(jié)構(gòu)處于最不利狀態(tài)，大角度入射會顯著改變結(jié)構(gòu)橫截面上應(yīng)力分布及大小，其中結(jié)構(gòu)角點處應(yīng)力峰值最大，入射角度的改變也會改變結(jié)構(gòu)的變形方向，廊體結(jié)構(gòu)對管線有明顯的隔震作用，針對加速度幅值、埋置、土體動彈性模量、土體泊松比對廊體結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響提出了相應(yīng)應(yīng)對措施。周曉潔等[100]利用ABAQUS軟件，以天津海河兩孔三管廊沉管隧道管段為研究對象，運用等效應(yīng)力輸入方法分析其在地震SV波斜入射下的地震響應(yīng)，研究結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在斜入射條件下的地震響應(yīng)與垂直入射時有顯著差異，結(jié)構(gòu)的四個角點及板、墻連接處為薄弱部位，其中中隔墻最薄弱。在文獻[101]還分析了地震波斜入射下層狀場地中雙艙矩形管廊地震響應(yīng)問題，分析結(jié)果指出廊體結(jié)構(gòu)在地震波斜入射與垂直入射下的地震響應(yīng)有較大的差異，SV波以30°附近入射時地震反應(yīng)最強烈，結(jié)構(gòu)角點及中隔墻上下端為應(yīng)力集中部位，在存有軟土夾層或覆蓋層越厚的情況下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更強烈。李鐸[102]提出了基于三維無限元地震波斜入射等效荷載的輸入方法，并利用ABAQUS軟件分別對在P波斜入射和脈沖地震作用下某雙艙矩形管廊體系的動力響應(yīng)展開了研究，研究表明：輸入P波時入射角增加會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的增大，斜入射更易造成結(jié)構(gòu)的破壞，相比非脈沖地震，脈沖地震對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)具有放大效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的頂部為薄弱環(huán)節(jié)，廊體結(jié)構(gòu)對管線有明顯的隔震作用，管線在P波以30°入射時處于最不利狀態(tài)而結(jié)構(gòu)卻是在60°入射時，這與文獻[29，101]在SV波斜入射下結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)結(jié)論差別較大，這同時也表明不同地震波對管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有巨大差別，展開不同地震波及不同入射角作用下地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)十分有必要。

3.2.7 中國地下綜合管廊在關(guān)鍵影響因素下的地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

岳慶霞[11]對影響管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析正確性的土體本構(gòu)、土-結(jié)接觸面、人工邊界、有效應(yīng)力法等關(guān)鍵影響因素進行了研究，并采用算例進行對比說明，在文獻[13]通過推導(dǎo)動力方程說明位移時程輸入具有更好的結(jié)果，進而詳細分析了自由邊界、無限單元、不同接觸參數(shù)、不同視波速對管廊結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果的影響，結(jié)果認為剪切波引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體彎曲變形，不設(shè)置邊界條件結(jié)構(gòu)響應(yīng)會有較大誤差，接觸面參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)變影響較大，在行波效應(yīng)下只需考慮視波速。施有志等[21-22]還研究了土-結(jié)構(gòu)接觸面參數(shù)對管廊地震響應(yīng)的影響及管廊邊界條件對地震動力響應(yīng)的影響等，文獻[21]以某單艙矩形管廊為例，利用PLAXIS軟件建立二維有限元模型，對影響廊體結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)的土-結(jié)構(gòu)接觸面參數(shù)進行了研究，研究考慮了三種地震動輸入下接觸面參數(shù)改變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及加速度的影響并于靜力作用時結(jié)構(gòu)的響應(yīng)相比較，研究比較結(jié)果表明：在同等條件下，動力作用時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力顯著增大，采用不同地震動輸入形式時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力極值有所差異，其中采用底部地震波輸入時的極值顯著高于采用Rayleigh波輸入時的極值，而與采用兩者耦合輸入時的差異并不大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及加速度的響應(yīng)隨接觸面折減系數(shù)的增加而增加。在文獻[22]中以廈門某地矩形、圓形預(yù)制管廊為例，基于PLAXIS軟件建立了二維、三維管廊場地動力響應(yīng)分析模型，分析了固定邊界、黏性邊界和自由場三種不同人工邊界條件在Rayleigh波、與地震底部剪切波耦合作用下場地的地震動力響應(yīng)，并以變形及PSA(概率安全評價)為指標(biāo)對三種邊界的有效性進行了評價，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化動力邊界組合方法并分析其效果，研究結(jié)果指出在上述耦合地震動作用下對彈塑性地基的管廊進行地震動力響應(yīng)分析時,人工邊界可采用激勵側(cè)固定邊界+遠離激勵側(cè)黏性邊界+其余側(cè)自由場邊界的組合方法。蔣錄珍等[17]基于有效應(yīng)力原理，建立二維分析模型，選取 El-Centro 波作為輸入地震動，研究了土、結(jié)構(gòu)特性對飽和土-管廊地震響應(yīng)的影響，通過研究分析給出了在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)壁厚、減小埋深、提高結(jié)構(gòu)剛度，在施工時適當(dāng)進行地基處理來減輕結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞程度的建議。廖智麒[103]利用ABAQUS軟件詳細分析了結(jié)構(gòu)不同斷面尺寸對管廊地震動力響應(yīng)的影響，還研究了頻譜特性、地震動強度及作用方向等因素對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)了截面尺寸與結(jié)構(gòu)的加速度、剪切變形、應(yīng)力幅值等反應(yīng)的規(guī)律及各影響因素對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的規(guī)律，并提出了應(yīng)對措施。韓佳欣[104]基于ABAQUS軟件從材料角度研究了配置玻璃纖維增強復(fù)合材料筋(GFRP筋)的某雙艙矩形管廊的地震反應(yīng)，在對僅配置GFRP筋、僅配置普通鋼筋及混合配置GFRP筋和普通鋼筋時結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進行評價后提出采用混合配置的優(yōu)化方案結(jié)合GFRP筋較優(yōu)的抗腐蝕、抗拉、經(jīng)濟及普通鋼筋較優(yōu)的抗剪切、抗壓性能以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，并提出了淺埋管廊結(jié)構(gòu)配置GFRP筋的抗震設(shè)計建議。

3.2.8 中國地下綜合管廊其他方面的地震響應(yīng)數(shù)值模擬研究

蔣錄珍等[18]基于ABAQUS軟件采用非線性彈簧單元來模擬接頭作用，對帶有橫向接頭的管廊進行了非一致地震激勵的數(shù)值模擬研究，研究分析了模型箱邊界效應(yīng)、結(jié)構(gòu)接頭動力響應(yīng)等。楊靖等[105]將結(jié)構(gòu)及其周圍土體視為梁單元及地基彈簧，建立梁-彈簧模型，利用反應(yīng)位移法對某雙艙矩形管廊進行縱向地震反應(yīng)計算。蔡亮等[106]基于MIDAS Gen軟件，同樣建立梁-彈簧模型，利用反應(yīng)位移法對某雙艙矩形管廊進行橫向抗震計算并與靜力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比分析，提出要加強結(jié)構(gòu)角點的局部構(gòu)造。施有志等[23]基于SAP2000軟件，研究了反應(yīng)位移法中基床系數(shù)、地層剪應(yīng)力在不同計算方法下對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，且利用反應(yīng)位移法對雙艙矩形管廊進行抗震計算，在與PLAXIS軟件的動力時程分析結(jié)果進行對比分析后評價了其適用性，并給出了地基彈簧剛度計算的推薦方法、地層剪應(yīng)力及地震荷載的施加方法。唐征武[107]借助ANSYS軟件，采用模態(tài)方法及時程方法研究分析了單艙矩形管廊結(jié)構(gòu)整體及橫斷面的地震動力反應(yīng)，研究認為對于長線型管廊結(jié)構(gòu)中部的動載效應(yīng)大，其中結(jié)構(gòu)中上部應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)橫斷面上部的應(yīng)力較大，中上部的動位移較大，對此提出應(yīng)進行結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)的抗震設(shè)計。周敏[108]將管廊結(jié)構(gòu)簡化為梁單元閉合框架，基于Midas Civil軟件，采用反應(yīng)位移法對某8度抗震設(shè)防地區(qū)的非對稱式“田”字形矩形管廊進行水平地震作用下的橫截面抗震計算及縱向變位驗算，研究結(jié)果指出地震作用荷載組合效應(yīng)值決定中隔墻及中隔板的配筋量。劉述虹[31]基于ABAQUS軟件，以結(jié)構(gòu)位移、混凝土損傷、管道應(yīng)力等為指標(biāo)，研究了單艙矩形典型管廊體系的地震響應(yīng)特征，并與反應(yīng)位移法對比分析，結(jié)果表明底板與側(cè)墻連接部位損傷最大為薄弱位置，廊體結(jié)構(gòu)能降低管道所受地震作用，但卻先于管道破壞，應(yīng)加強結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。郭恩棟等[109]選取了多條不同頻譜特性的天然地震波作為輸入地震動，利用ABAQUS軟件，展開了單艙矩形典型管廊體系的地震響應(yīng)研究，研究也得出與文獻[31]同樣的結(jié)果。楊乾[110]建立了管廊分支口管道理論分析模型，并利用ADINA軟件模擬分析地震作用下管廊分支口管道的動力響應(yīng)，研究指出分支口處非埋土段支管道更易發(fā)生破壞，但仍比直埋管道地震響應(yīng)小，地震波輸入方向、場地種類、地震烈度對分支口管道破壞的影響都較大。由浩宇[30]對管廊內(nèi)部管道的震害影響因素進行詳細分析，使用ANSYS軟件建立了單艙矩形管廊體系的三維整體分析模型，通過對比分析埋深及隔震裝置及其隔震系數(shù)對廊體內(nèi)部管道的地震反應(yīng)的影響，提出了適用中國的廊體內(nèi)部管道的隔振減震設(shè)計方法。任建喜等[111]提出一種新型支墩結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件，采用模態(tài)方法及時程方法，對比分析了普通支墩和抗震支墩的動力特性差異，分析結(jié)果表明抗震支墩能顯著減少管道的加速度、位移及動荷載峰值，有效提升管道安全及保護管道。郭佳奇等[112]在統(tǒng)計管廊發(fā)生的災(zāi)害事故并對其災(zāi)害經(jīng)行分類的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出了管廊三大防災(zāi)減災(zāi)原則，對管廊地震等災(zāi)害產(chǎn)生機理進行了詳細的分析與總結(jié)，提出了在接頭處采用柔性接頭、角部加強加密配筋、結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度滿足最小值、管道設(shè)置隔震裝置及抗震支吊架等應(yīng)對措施。石振武等[113]基于韌性概念提出了防震視角下管廊韌性評價方法，建立了管廊防震性能可量化的韌性指標(biāo)評價體系，這一新的嘗試為未來管廊的設(shè)計、建設(shè)提供了新的思考角度。Li等[114]創(chuàng)造性地將GPS和InSAR技術(shù)結(jié)合用于評估位于地震帶的某包頭管廊的累積損傷，研究表明結(jié)合概率地震的統(tǒng)計，可以直觀地預(yù)測未來結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)，進而可以評估結(jié)構(gòu)的累計損傷。

4 結(jié)論

管廊地震響應(yīng)的相關(guān)研究不斷得到豐富，主要取得了如下的研究成果。

(1)抗震加固及減災(zāi)方面：在國外，部分管廊經(jīng)歷了地震的破壞(如日本和美國)，相應(yīng)的展開了大量的實例研究，針對滑坡、液化等提出了管廊抗震加固措施以指導(dǎo)抗震加固施工；在中國，針對液化、斷層、地裂縫等也提出了相應(yīng)的措施。

(2)試驗研究方面：單一單艙矩形管廊有無接頭的橫向、縱向一致與非一致激勵振動臺試驗研究取得了較多的研究成果，發(fā)現(xiàn)相較于一致激勵，非一致激勵下管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)更明顯，是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向內(nèi)力、變形的根本原因，進行抗震設(shè)計時必須要引起重視。

(3)場地條件方面：場地條件，尤其是凍土區(qū)、液化區(qū)、非均質(zhì)土區(qū)、斷層區(qū)、地裂縫區(qū)等特殊地質(zhì)條件對管廊的地震響應(yīng)有非常大的影響，會增大結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力。

(4)薄弱部位方面：對于一般管廊結(jié)構(gòu)，板墻結(jié)合處、角點處是其薄弱區(qū)；對于預(yù)制結(jié)構(gòu)，研究指出接頭處易發(fā)生應(yīng)力集中是結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度較低時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移。

(5)地震波及地震激勵方面：目前管廊多為淺埋結(jié)構(gòu)，R波是其地震響應(yīng)的關(guān)鍵控制因素；地震波的入射角度對其地震響應(yīng)的影響較大;地震動參數(shù)對管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也有較大影響，必須要考慮。

(6)影響因素方面：土體特性、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)埋深、材料特性、土-結(jié)接相互用、人工邊界、地震動特性等因素是影響管廊地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素。

5 展望

目前，雖然取得了以上的研究成果，但鑒于仍然存在地下結(jié)構(gòu)抗震問題的各種復(fù)雜情況及人們認識的有限性，相關(guān)研究仍需進一步的探索與完善。

(1)試驗研究方面：雖然目前單一單艙矩形管廊的一致及非一致地震激勵振動臺試驗研究取得了一些成果，但針對多艙矩形、圓形等復(fù)雜結(jié)構(gòu)一致及非一致地震激勵試驗的研究還非常少，而管廊間交叉、上下穿越、近距平行、管廊近距離穿越其他結(jié)構(gòu)、大型共建復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系等的一致及非一致地震激勵大型試驗?zāi)壳案俏匆娤嚓P(guān)研究報道。

(2)地表結(jié)構(gòu)(群)相互作用研究方面：管廊作為長大型地下結(jié)構(gòu)，不管是建在中心城區(qū)還是建在新區(qū)，都不可避免地會面臨地表結(jié)構(gòu)群引起的城市效應(yīng)的影響。因此應(yīng)展開地表結(jié)構(gòu)(群)-管廊相互作用的一致、非一致地震激勵動力特性和地震響應(yīng)的研究。

(3)各影響因素耦合研究方面：雖然在單個影響因素對管廊地震響應(yīng)的研究取得了一些研究成果，但其地震響應(yīng)是由多因素控制，應(yīng)進一步展開多因素耦合下的地震響應(yīng)研究。

(4)管廊體系及隔震減災(zāi)研究方面：管廊因內(nèi)含多種市政管網(wǎng)而有別于其他地下結(jié)構(gòu)，尤其當(dāng)供水、排水、燃氣等管網(wǎng)內(nèi)含介質(zhì)時，會對管廊及管網(wǎng)的地震響應(yīng)產(chǎn)生很大影響，但目前的研究多數(shù)只針對管廊結(jié)構(gòu)本身的研究，對管廊體系的研究較少。因而需進一步展開管廊體系的地震響應(yīng)及管網(wǎng)減震隔震的相關(guān)研究。

(5)高效計算方面：目前采用二維擬靜力計算、二維和三維動力時程分析研究管廊地震響應(yīng)都取得了一定的研究成果，但對于管廊當(dāng)考慮城市效應(yīng)、管廊群體系、復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的相互作用時要建立復(fù)雜的三維模型體系，這對計算能力、工程人員的實際操作能力有較高的要求，難以實現(xiàn)和把握。因此為了實現(xiàn)復(fù)雜三維模型計算的可能，需開發(fā)出更加實用、高效的計算方法、計算技術(shù)及并行算法。

(6)新型管廊研究方面：隨著材料科學(xué)、工程技術(shù)、新型工業(yè)科技的不斷發(fā)展，會出現(xiàn)越來越多的新型管廊，如大型波紋鋼管廊、竹纏繞管廊的應(yīng)用等，都需要展開相應(yīng)的地震響應(yīng)方面的研究。而且近年來不斷發(fā)展的3D打印技術(shù)在模型化、施工速度化方面表現(xiàn)出的優(yōu)勢，該技術(shù)也會在管廊中得到應(yīng)用，對3D打印管廊地震響應(yīng)及其地震可靠度的研究也是十分有必要的。