裝配式城市綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李 妍 孟志穎

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范及相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)于綜合管廊抗震設(shè)計(jì)的提及相對(duì)較少，在抗震設(shè)計(jì)中，綜合管廊的抗震設(shè)計(jì)多依照地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)的相應(yīng)規(guī)范，如多數(shù)在抗震設(shè)計(jì)時(shí)參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011—2010》中針對(duì)地下建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。我國(guó)對(duì)于裝配式綜合管廊的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參照《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ1—2014》，此規(guī)程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮在靜力學(xué)層面，并未大篇幅考慮抗震設(shè)計(jì)。在《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50909—2014》中，規(guī)范明確指出了地下結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[1-3]。我國(guó)近年來也不斷地在進(jìn)行裝配式綜合管廊的研究工作。同濟(jì)大學(xué)薛偉辰等人是國(guó)內(nèi)第一批對(duì)裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的團(tuán)隊(duì)，其團(tuán)隊(duì)以上海世博會(huì)裝配式綜合管廊為模型，對(duì)綜合管廊的破壞形式、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布、極限狀態(tài)下的承載力及結(jié)構(gòu)抗變形承載力等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。但研究的工作重心是結(jié)構(gòu)的靜力分析，對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)并未過多提及。我國(guó)的裝配式城市綜合管廊施工技術(shù)有將現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土構(gòu)件澆筑結(jié)合的半預(yù)制技術(shù)，將預(yù)制好的混凝土塊體利用專門設(shè)備拼裝的預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)、減少吊重便于運(yùn)輸?shù)姆謮K預(yù)制拼裝技術(shù)以及側(cè)板和頂板采用疊合結(jié)構(gòu)的疊合整體式預(yù)制拼裝技術(shù)和盾構(gòu)法與頂管施工技術(shù)。其各技術(shù)都相對(duì)成熟，且優(yōu)點(diǎn)突出,與傳統(tǒng)的全現(xiàn)澆技術(shù)大大不同。無論在水平方向還是在豎直方向的連接都更加安全可靠，適用于各種基礎(chǔ)的管道廊道施工。裝配式綜合管廊在施工時(shí)間、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、難度等方面都具有巨大的優(yōu)勢(shì)。大幅度提高了管廊建設(shè)效率，已成為現(xiàn)代化城市建設(shè)的首要選擇，極大的改善了人們的居住舒適度和城市承載力。

1 裝配式綜合管廊工況分析

文章主要研究預(yù)制裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過有限元軟件ABAQUS對(duì)兩種尺寸的裝配式綜合管廊進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以探討裝配式綜合管廊的抗震性能及增大尺寸來方便檢修的綜合管廊對(duì)其抗震性能的影響[4]。

2 管廊模型的選取與設(shè)計(jì)

裝配式管廊截面形狀主要有方形和圓形兩大類。圓形截面雖然具有良好的受力性能，但是其在空間利用上遠(yuǎn)不如方形管廊，因?yàn)榉叫喂芾仍谶B接形式與連接效果和通行方面更具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為城市綜合管廊的主要截面類型。因此本次模擬采用方形截面管廊（如圖1所示）。

圖1 文章中模擬的綜合管廊示意圖

2.1 材料屬性

參考相關(guān)規(guī)范規(guī)定此預(yù)制裝配式管廊采用C60高強(qiáng)混凝土，彈性模量為3.65×104MPa，泊松比為0.167，密度為2450kg/m3混凝土。配筋選用直徑分別為18mm與20mm的HRB400級(jí)鋼筋，彈性模量為2.05×102MPa,泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

2.2 受荷計(jì)算

計(jì)算此次模擬所用荷載時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況管廊埋深2m，考慮道路車輛等荷載，進(jìn)行荷載計(jì)算。其中，管廊結(jié)構(gòu)上的作用包括以下幾個(gè)部分:

1）永久荷載:土壓力、結(jié)構(gòu)主體及收容管線自重、預(yù)應(yīng)力等

2）可變荷載:人群荷載、地面車輛荷載、凍脹力、水壓力等（對(duì)于雪荷載、風(fēng)荷載，因管廊屬于地下結(jié)構(gòu)，受雪、風(fēng)荷載影響較小，本論文不予考慮。）

3）荷載組合:采用恒荷載+活荷載。

綜合管廊所受荷載計(jì)算如圖2所示。

圖2 綜合管廊受荷載示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法——有限單元法

有限單元法的分析是指將整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成多個(gè)小型有限單元，并且每一個(gè)有限單元通過軟件設(shè)定有限多個(gè)節(jié)點(diǎn)，再將整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)看做是在設(shè)定的單元節(jié)點(diǎn)處相互連接的一組單元的集合結(jié)構(gòu)。然后用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似插值函數(shù)，在選定的場(chǎng)函數(shù)分區(qū)域來表示在所有求解域內(nèi)的基本未知量。進(jìn)而利用力學(xué)上的等效變分原理或加權(quán)余量法去建立用以求解基本未知量的代數(shù)方程組或常微分方程組，從而將一個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化成為離散域中的自由度問題。

3.2 建模得到的管廊有限元模型

管廊模型選用方形管廊，管廊的尺寸分別為GL1:長(zhǎng)3000mm、寬2000mm、高2600mm和GL2:長(zhǎng)3500mm、寬2000mm、高3200mm，壁厚均為300mm,帶有企口200mm和可以允許工人正常穿行，如圖3所示[5-6]。

圖3 管廊有限元模型

3.3 網(wǎng)格的劃分及加載方式

1）網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元分析非常重要的一步，網(wǎng)格劃分的情況對(duì)最終分析結(jié)果的精度有很大的影響，一般來說網(wǎng)格越密，計(jì)算結(jié)果就越接近真實(shí)結(jié)果，但相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間也會(huì)因此變得更長(zhǎng)，而降低了計(jì)算效率。因此本次模擬對(duì)模型進(jìn)行了合理的切割平面來更好地方便模型的計(jì)算與分析，網(wǎng)格劃分密度為100mm，混凝土單元類型為C3D8R,鋼筋單元類型為桁架單元T3D2，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分

2）本次模型共2個(gè)分析步，初始定義的分析步為預(yù)制管廊受頂部荷載與水平土壓力的作用，鋼筋與管廊混凝土的關(guān)系為鋼筋內(nèi)置，各接觸面接觸關(guān)系穩(wěn)定。第二個(gè)分析步為通過編輯位移幅值的方法在水平方向施加位移往復(fù)荷載（如圖5所示）。

圖5 水平加載方式

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

經(jīng)數(shù)值分析作業(yè)后，兩種尺寸的管廊可視化結(jié)果如圖6所示。

從整體變形圖中可以看出，兩種尺寸的管廊在相應(yīng)的頂部荷載與水平荷載作用下，其變形位置與變形程度均無明顯差異。

由模擬結(jié)果可以得出，隨著荷載的逐漸增大，預(yù)制管廊從兩側(cè)頂部開始出現(xiàn)破壞，隨著荷載地繼續(xù)增大，預(yù)制管廊頂部也隨之出現(xiàn)破壞，直至出現(xiàn)較輕的的彎曲變形。由圖6可以看出，預(yù)制管廊模型中出現(xiàn)應(yīng)力最大的位置為管廊前后的接頭位置，為抗震設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的關(guān)鍵部位[7]。

圖6 有限元分析模擬圖

對(duì)兩個(gè)預(yù)制綜合管廊模型施加低周往復(fù)荷載得到的滯回曲線如圖7所示，本預(yù)制管廊模型未考慮鋼筋的滑移因素，因此本模型的滯回曲線未產(chǎn)生捏縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為較為飽滿的近似梭形的形態(tài)。在往復(fù)荷載作用下，模型的塑性損傷逐漸增大，剛度逐漸退化，承載能力隨之下降，由此可以得出此預(yù)制管廊模型的抗震性能較穩(wěn)定，耗能能力較好。通過對(duì)比分析，GL1與GL2相比具有較好的承載能力與抗震性能,但影響較小，在實(shí)際工況中可以適當(dāng)選擇較大尺寸的管廊來解決施工修檢工作[8]。

圖7 滯回曲線

4 結(jié)語

文章通過對(duì)預(yù)制裝配式城市綜合管廊的在實(shí)際工況下的抗震性能數(shù)值模擬分析及在加大尺寸方便檢修的情況下對(duì)綜合管廊抗震性能的對(duì)比，得到模擬圖像及繪制其滯回曲線，分析得出以下結(jié)論:

1）在實(shí)際工況下，預(yù)制綜合管廊模型的應(yīng)力分布情況均勻，結(jié)構(gòu)安全可靠。可作為預(yù)制綜合管廊抗震研究的對(duì)象。預(yù)制綜合管廊模型的最大應(yīng)力位置為管廊前后的接頭部位，在管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮接頭部位。

2）通過觀察兩個(gè)預(yù)制管廊模型得出的滯回曲線，出現(xiàn)剛度退化，具有一定的耗能能力，本次模型未考慮鋼筋的滑移因素，故曲線形態(tài)較為飽滿。對(duì)比分析兩個(gè)管廊的滯回曲線可以得出，與尺寸較大管廊(GL2)相比，尺寸較小管廊(GL1)，抗震性能較好，但對(duì)實(shí)際工況影響不大，故在實(shí)際工況中，可以通過適當(dāng)加大預(yù)制綜合管廊的尺寸來解決方便后期施工檢修的工作。