裝配式混凝土箱型通道抗震響應(yīng)計(jì)算分析

熊永松， 王 鵬， 周小伍

(1.荊州市公路事業(yè)發(fā)展中心，湖北 荊州 434100；2.荊州市五維公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 荊州 434020；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

裝配式混凝土通道是近年來興起的一種新型結(jié)構(gòu)。裝配式混凝土通道分為兩種結(jié)構(gòu)型式，一種是管型通道；另一種是箱型通道。而箱型通道抗震分析目前還處于研究空白階段。因此有必要研究裝配式混凝土箱型通道抗震響應(yīng)分析及抗震性能。

當(dāng)前，國內(nèi)外對裝配式管型通道研究較多，而對裝配式箱型通道研究較少。王建國等[1]開展了裝配式混凝土管型通道的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。何淳健[2]計(jì)算了裝配式混凝土管型通道的土壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。許慶虎[3]研究了裝配式混凝土管型通道在車輛和恒載作用下的受力特性。顏丹青等[4]建立了精確的裝配式鋼筋混凝土管型通道的有限元計(jì)算模型。

鑒于國內(nèi)外對裝配式箱型通道研究較少的情況，本文采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立了箱型通道及土體的整體抗震有限元分析模型，充分考慮地震作用下通道與土體的相互作用，獲得了箱型通道在地震波作用的受力狀態(tài)和位移響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，為今后大規(guī)模應(yīng)用裝配式箱型通道提供了抗震計(jì)算依據(jù)。

1 裝配式混凝土箱型通道設(shè)計(jì)

裝配式箱型通道可采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，由頂板、側(cè)墻、底板組成。頂板、側(cè)墻通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接完成組裝。頂板與側(cè)墻之間的連接方式為鉸接。底板通過現(xiàn)澆方式完成安裝。箱型通道結(jié)構(gòu)尺寸斷面圖如圖1所示，箱型通道上部的填土厚度為77 cm。

圖1 裝配式混凝土箱型通道結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位：mm)

通道洞身材料為C40抗硫酸鹽混凝土，通道下方為15 cm厚的C30混凝土墊層，混凝土墊層下方為70～120 cm厚的換填墊石層。箱型通道的鋼筋面積配筋率見表1。

表1 6 m×3.5 m通道鋼筋面積配筋率表

2 裝配式箱型通道實(shí)體有限元模型

2.1 劃分單元

根據(jù)選定的計(jì)算域進(jìn)行幾何建模，并將土體劃分為地基土和回填土兩部分。土體部分選用SOLID 45單元，箱型通道選用SOLID 65單元。按照圖1的參數(shù)對幾何模型定義材料屬性，并劃分網(wǎng)格。

網(wǎng)格劃分的密集程度通常與計(jì)算結(jié)果成正比，但若網(wǎng)格劃分過度密集會導(dǎo)致計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間大大增加，且計(jì)算精度無明顯提高[5]?？紤]到計(jì)算量與計(jì)算精度，本文中的網(wǎng)格尺寸在X方向取0.3 m，在Y方向取0.3 m，在Z方向取0.6 m。

有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 通道有限元模型及其與土體的整體有限元模型

2.2 確定計(jì)算區(qū)域

地下結(jié)構(gòu)由于其特殊性，在對其進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)不僅要對箱形通道進(jìn)行建模，還需要考慮到周圍的土體。實(shí)際工作中，不可能做到對周圍無限土體進(jìn)行完全模擬，需要選擇一個(gè)合理的計(jì)算區(qū)域。如果計(jì)算域范圍選得過大，雖然可以保證計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，但是會大大增加程序計(jì)算量，消耗太多的計(jì)算時(shí)間；如果計(jì)算域范圍選得過小，會使得計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際。產(chǎn)生較大誤差。

基于以上理由，取30 m為計(jì)算區(qū)域?qū)挾龋鼗辽疃葹? m，通道頂回填土深度為0.77 m。選擇一節(jié)箱型通道進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算域長度取3 m。

2.3 建立接觸對

通道處在地下，被土體包圍，周圍土體不只是外荷載，還對通道在地震作用下產(chǎn)生的變形有約束作用，因此需要考慮土體和通道之間的相互作用。通過在接觸面上建立接觸單元來達(dá)到這一目的[6]。本文選用三維面-面接觸單元(CONTAC 173單元和TARGET 170單元)對其進(jìn)行模擬。

由于混凝土材料的剛度遠(yuǎn)大于周圍土體材料的剛度，故選擇土體邊界面為接觸面，通道外側(cè)邊界面為目標(biāo)面，分別在兩邊界面上設(shè)置CONTAC 173單元和TARGET 170單元，并通過編號控制形成接觸對[7]。

圖3 目標(biāo)單元TARGET 170和接觸單元CONTAC 173

2.4 約束條件

地基土體底部邊界設(shè)置固定約束，約束各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角。左右兩側(cè)邊界上設(shè)置固定約束。前后邊界面上約束Z方向的自由度。填土的頂面及通道的內(nèi)表面按自由邊界處理。

3 裝配式箱型通道地震響應(yīng)分析

本次抗震分析采用通用有限元分析軟件ANSYS，計(jì)算方法選擇動力時(shí)程分析法。首先對土體-結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行建模，處理好通道與土體的接觸以及頂板與側(cè)墻的接觸，然后確定合適的邊界條件，選擇適當(dāng)?shù)牡卣鸩〝?shù)據(jù)，最后計(jì)算整個(gè)體系在選定地震波作用下的動力響應(yīng)。

3.1 地震波的選擇

在用時(shí)程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析時(shí)，所得到的計(jì)算結(jié)果不僅與結(jié)構(gòu)的動力特性、彈塑性變形性質(zhì)、變形能力有關(guān)，很大程度上還取決于輸入地震波的特性(幅值大小、頻譜特性、持續(xù)時(shí)間等)[8]。對于同一個(gè)結(jié)構(gòu)，選擇不同的地震波數(shù)據(jù)，可能會使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差[9]。

根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)[10]第3.2.1和3.2.2條，本次計(jì)算的裝配式箱型通道屬于高速公路的工程構(gòu)筑物，擬建工程所在區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅱ類。因此建筑物所在地為建設(shè)的一般場地，屬于一般工程，其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)為：建筑物在E1地震作用下[11]經(jīng)一般整修或短期搶修即可恢復(fù)正常使用，抗震重要性修正系數(shù)Ci取1.3。

3.2 裝配式箱型通道地震響應(yīng)結(jié)果

對于6 m×3.5 m通道，根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)第3.4.1條，采用永久作用+地震作用組合，包括結(jié)構(gòu)重力、土壓力、結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和地震土壓力等，通過疊加獲得通道的橫向位移與橫向應(yīng)力。取通道頂板跨中、底板跨中、鉸縫上圓弧、鉸縫下圓弧、頂板與側(cè)板的交界、底板與側(cè)板的交界共12個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來觀測橫向位移與橫向應(yīng)力。所取的12個(gè)點(diǎn)位置如圖4所示。6 m×3.5 m通道在地震和重力共同作用下12個(gè)觀測點(diǎn)的最大橫向位移和最大橫向應(yīng)力見表2。

圖4 應(yīng)力與位移觀測點(diǎn)位置

表2 6 m×3.5 m通道最大橫向位移和最大橫向應(yīng)力

在永久作用和地震作用組合下，6 m×3.5 m通道頂板橫向位移峰值為20.9 mm，底板橫向位移峰值為15.4 mm，左墻鉸縫處橫向位移峰值為18.9 mm，右墻鉸縫處橫向位移峰值為18.4 mm，左墻鉸縫上下圓弧橫向相對位移為1.19 mm，右墻鉸縫上下圓弧橫向相對位移為1.53 mm。以上說明頂板和側(cè)墻的整體性較好，變形基本一致。而且，在鉸縫處頂板和側(cè)墻之間的相對位移很小，在地震作用下接觸良好，頂板不會發(fā)生從側(cè)墻落下的震害。

進(jìn)一步對各節(jié)點(diǎn)的水平方向位移時(shí)程曲線進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)：12個(gè)節(jié)點(diǎn)處的水平方向位移時(shí)程曲線重合性較好，這說明箱型通道具有剛度較大、整體性較好的優(yōu)點(diǎn)。由于周圍土體的約束作用，箱形通道在地震作用下的位移基本呈現(xiàn)整體協(xié)調(diào)運(yùn)動，各節(jié)點(diǎn)處的水平方向位移趨勢和位移峰值基本相同，差異較小。

對各節(jié)點(diǎn)橫向應(yīng)力時(shí)程曲線進(jìn)行比較，可以看出頂板跨中處的拉應(yīng)力最大，為0.27 MPa，頂板與側(cè)墻交界處的壓應(yīng)力最大，為1.51 MPa，均遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)地震安全性良好。

4 結(jié) 論

(1)箱型通道各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在地震作用下的最大橫向絕對位移為15～20 mm；底板和側(cè)墻之間接縫位置處的最大橫向相對位移為2 mm左右，說明頂板和側(cè)墻的整體性較好，變形基本一致。而且，在鉸縫處頂板和側(cè)墻之間的相對位移很小，在地震作用下通道結(jié)構(gòu)與土體接觸良好，頂板不會發(fā)生從側(cè)墻落下的震害。

(2)箱型通道在E1地震作用時(shí)各節(jié)點(diǎn)處的水平方向位移時(shí)程曲線重合性較好，表明箱型通道具有剛度較大，整體性較好的優(yōu)點(diǎn)。

(3)箱型通道頂板跨中處的拉應(yīng)力最大，為0.3 MPa左右；頂板與側(cè)墻交界處的壓應(yīng)力最大，為1.5 MPa左右，表明箱型通道在E1地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，能夠滿足經(jīng)一般整修可正常使用的抗震設(shè)防目標(biāo)。