結(jié)構(gòu)形式差異對(duì)管廊抗震性能的影響分析

惠新楊 丁傳海

（中交一公局第三工程有限公司，北京 101102）

0 引言

城市地下綜合管廊是保證城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。為保證地震荷載下管廊正常工作，很多學(xué)者針對(duì)地下綜合管廊的抗震性能進(jìn)行了大量研究，其中具有代表性的有：馬建華[2]等利用不同抗震方法對(duì)砂土地區(qū)的單艙綜合管廊進(jìn)行地震反應(yīng)分析，得到單艙管廊的內(nèi)力分布規(guī)律，并確定管廊的受力敏感位置；李杰[3]等利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)單艙管廊模型進(jìn)行抗震分析，提出層狀剪切砂箱的模擬方法；李承翰[4]基于有限元分析法，分析黃土地區(qū)的雙艙綜合管廊的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，得到加速度、位移響應(yīng)隨埋設(shè)深度的變化規(guī)律；仉文崗[5]等基于模型試驗(yàn)理論，分析不同地震烈度下雙艙綜合管廊的抗震性能，得到綜合管廊動(dòng)力響應(yīng)隨地震烈度的提高而增大的結(jié)論；陳守一[6]等基于時(shí)程分析法，對(duì)罕遇地震激勵(lì)下預(yù)制鋼波紋管綜合管廊的抗震性能進(jìn)行研究，得出其管廊結(jié)構(gòu)整體未發(fā)生破壞，但上部應(yīng)力在管廊肩部位置較大。

綜上可知，研究者主要針對(duì)單一結(jié)構(gòu)形式的綜合管廊進(jìn)行抗震性能分析，而對(duì)不同管廊形式的抗震性能對(duì)比分析研究相對(duì)較少。本文以濟(jì)南水廠南路項(xiàng)目為依托，基于動(dòng)力時(shí)程分析法，借助ABAQUS有限軟件，對(duì)單艙、雙艙、三艙的綜合管廊的抗震性能進(jìn)行分析，為國(guó)內(nèi)類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及施工提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

濟(jì)南市水廠南路綜合管廊項(xiàng)目西起萃清路，東至城市展廳路，全長(zhǎng)1617.864m。管廊整體呈單艙、雙艙和三艙矩形布置，內(nèi)部管線主要有給水、中熱力及通信管線及電力電纜，具體單艙、雙艙、三艙綜合管廊結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 管廊結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型

2.1 材料參數(shù)確定

當(dāng)管廊承受地震荷載時(shí)承受拉壓循環(huán)荷載，普通的混凝土彈性本構(gòu)模型不能正確地描述混凝土地震狀態(tài)下的受力情況，為提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文選擇混凝土塑性損傷模型(CDP模型)進(jìn)行分析，其管廊結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)如表1所示[7]。

表1 混凝土物理參數(shù)

由現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告可知：建設(shè)場(chǎng)地地形較平坦，在南北兩側(cè)均為耕地；主要由人工填土、砂土、粉土、粉質(zhì)黏土等4個(gè)土層組成，具體參數(shù)如表2所示[8]。

為系統(tǒng)研究綜合管廊結(jié)構(gòu)形式差異對(duì)管廊抗震性能影響，進(jìn)行模型土體參數(shù)選取時(shí)，選用具有代表性的單一土體；結(jié)合本項(xiàng)目中以壓縮性較低、承載力較高的粉土為主，故選擇粉土模擬管廊周?chē)馏w。

2.2 土體-結(jié)構(gòu)相互作用

在地震條件下，綜合管廊的受力情況與地上建筑物不同，其動(dòng)力響應(yīng)受周?chē)馏w影響較大，因此管廊與土體之間的接觸屬性對(duì)數(shù)值模擬研究的正確性影響較大。為提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性，土體與結(jié)構(gòu)的關(guān)系為：（1）管廊與土體之間的接觸方式采用表面與表面接觸；（2）管廊外表面為主表面，與其接觸土體部分為從表面；（3）定義接觸屬性時(shí)法向采用硬接觸，切向?yàn)槟Σ两佑|，摩擦系數(shù)為1；土體-結(jié)構(gòu)之間的相互作用見(jiàn)圖2。

圖2 接觸對(duì)示意圖

2.3 黏彈性邊界及等效節(jié)點(diǎn)荷載施加

2.3.1 黏彈性邊界施加

地震在無(wú)限域土體中傳播時(shí)，不存在地震波反射現(xiàn)象，但利用有限元軟件模擬無(wú)限域土體，會(huì)造成計(jì)算效率下降，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較多；為解決地震波反射及零點(diǎn)漂移問(wèn)題，需在模型四周及底部邊界處施加黏彈性人工邊界（如圖3所示）。

2.3.2 等效節(jié)點(diǎn)荷載施加

根據(jù)地勘報(bào)告建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)的地震相關(guān)參數(shù)，采用EICentro地震波作為地震荷載進(jìn)行輸入，最后確定的地震加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 N-S方向0.1g地震波

黏彈性人工邊界施加后，地震波加速度的輸入則轉(zhuǎn)化成自由場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，即通過(guò)地震波加速度積分，得到位移與速度荷載，通過(guò)提取各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化各單元節(jié)點(diǎn)力及幅值荷載，準(zhǔn)確施加到模型底部及四周邊界（圖為5等效節(jié)點(diǎn)荷載施加效果圖）。

圖5 地震加速度等效節(jié)點(diǎn)力示意圖

2.4 有限元模型的計(jì)算

為研究管廊結(jié)構(gòu)形式差異對(duì)綜合管廊的抗震性能影響，結(jié)合材料參數(shù)、土體-結(jié)構(gòu)相互作用及黏彈性邊界及等效節(jié)點(diǎn)荷載施加等，建立單箱、雙箱和三箱形式綜合管廊有限元模型（如圖6所示），進(jìn)一步研究不同管廊形式的抗震性能差異及相關(guān)規(guī)律研究。

圖6 管廊模型示意圖

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 位移響應(yīng)分析

為研究設(shè)防地震條件下不同形式管廊的位移響應(yīng)差異，分別對(duì)單箱、雙箱、三箱頂板、底板位移時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比分析。表3為不同形式管廊峰值位移，圖7為不同形式綜合管廊頂板、底板位移時(shí)程曲線。

表3 管廊峰值位移 m

分析表3可知：不同形式管廊的峰值位移相差不大；單箱管廊的峰值位移大于雙箱及三箱綜合管廊的峰值位移，最大峰值為0.10923m，其中雙箱綜合管廊的峰值位移最小為0.102355m，說(shuō)明在設(shè)防地震荷載下，雙箱綜合管廊整體受到剪切破壞的可能性較小。

分析圖7可知：（1）在相同地震荷載條件下，不同形式管廊位移時(shí)程曲線走勢(shì)大致相同，從而驗(yàn)證本模型的合理性；（2）在2s~12s時(shí)，位移隨時(shí)間的增加不斷積累，并在11.8s左右達(dá)到峰值位移；（3）管廊位移響應(yīng)主要以X方向?yàn)橹?，同時(shí)也會(huì)引起Y、Z方向的位移，但與X方向位移相比很小。

圖7 管廊位移時(shí)程曲線

3.2 加速度響應(yīng)分析

通過(guò)模擬分析可得X方向施加地震荷載下的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線，表4為不同形式管廊頂板、底板加速度峰值，圖8為不同形式管廊頂板、底板加速度應(yīng)力時(shí)程曲線。

圖8 綜合管廊加速度時(shí)程曲線

表4 不同形式管廊的峰值加速度 g

分析圖8和表4可知：（1）相同地震荷載條件下，不同形式管廊的加速度響應(yīng)曲線趨勢(shì)、走向一致性，在2.5s左右達(dá)到峰值，說(shuō)明黏彈性邊界吸收反射波的效果及等效節(jié)點(diǎn)荷載的實(shí)現(xiàn)效果較好；（2）加速度相應(yīng)規(guī)律與位移相應(yīng)規(guī)律響應(yīng)相同，即單箱綜合管廊加速度響應(yīng)最大為0.363g，雙箱綜合管廊的加速度響應(yīng)最小為0.13g；進(jìn)一步驗(yàn)證雙箱綜合管廊受力優(yōu)越性；（3）單箱管廊頂板、底板加速度響應(yīng)差異較大。

3.3 應(yīng)力響應(yīng)分析

圖9為不同形式綜合管廊的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。

圖9 管廊應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖9分析可知：（1）不同形式管廊頂板、底板的應(yīng)力時(shí)程曲線一致性較好，且峰值應(yīng)力主要出現(xiàn)在2s~3s、4.5s~5.4s時(shí)間段內(nèi)；（2）由于底板承受上部荷載和管廊自重，造成底板應(yīng)力均大于頂板應(yīng)力；（3）雙箱管廊的應(yīng)力最大為64.747kPa，三箱綜合管廊的應(yīng)力響應(yīng)最小為11.121kPa；（4）單箱管廊應(yīng)力較大位置主要在下部角點(diǎn)及底板位置，雙箱及三箱管廊的應(yīng)力較大值主要在角點(diǎn)位及中隔板位置處，但未達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)力，管廊結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于黏彈性邊界及事成分析法，借助ABAQUS有限元分析軟件，建立了不同形式綜合管廊的抗震理論分析模型，并對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得到以下結(jié)論：

（1）地震作用下，管廊位移主要是X方向，且單箱管廊的位移響應(yīng)均大于雙箱、三箱綜合管廊；

（2）不同形式綜合管廊的加速度響應(yīng)大致相同，且均在2.5s左右達(dá)到峰值狀態(tài)；

（3）管廊應(yīng)力響應(yīng)主要出現(xiàn)在角點(diǎn)及中隔板位置處，且底板應(yīng)力均大于頂板應(yīng)力；且單箱綜合管廊應(yīng)力響應(yīng)均大于雙箱和三箱綜合管廊。