地下綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震性影響因素分析

姚怡 王曉敏

摘要： 地下綜合管廊是在城市地下建造一個(gè)隧道空間，可以將各種市政管線敷設(shè)在管溝內(nèi)將其保護(hù)起來(lái)，是一種現(xiàn)代化、集約化的城市生命線基礎(chǔ)設(shè)施。但是綜合管廊在我國(guó)的建設(shè)剛剛起步，與之相對(duì)應(yīng)的各個(gè)階段的理論設(shè)計(jì)和方法研究還沒(méi)有得到很好的重視，相關(guān)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面的研究與共同溝的建造速度仍然存在較大脫節(jié)，對(duì)其抗震方面的研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。因此通過(guò)研究地下綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震的因素，得出相應(yīng)的規(guī)律和結(jié)論，為今后綜合管廊的建設(shè)和發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞： 地下綜合管廊 抗震性 影響因素 管廊設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）24-0192-03

影響地下綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震性能的因素有多種，如結(jié)構(gòu)埋深、土體的非均勻性、接觸面設(shè)置、邊界條件、地震波入射角度等。本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)埋深、接觸面設(shè)置、邊界條件等因素進(jìn)行考察研究，總結(jié)出相應(yīng)結(jié)論與規(guī)律，為今后管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。為方便輸出模擬結(jié)果，下面選取以下代表點(diǎn)作為輸出的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖1 所示。

1 埋深影響分析

天然地面至共同溝頂面的天然距離稱為綜合管廊的埋深，深度越大，上部覆土層的慣性力和重力越大，從而管廊結(jié)構(gòu)體在地震過(guò)程中的響應(yīng)越大，同時(shí)隨著結(jié)構(gòu)埋深的增加，結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土體給到的壓力也會(huì)隨著增加，對(duì)地下管廊結(jié)構(gòu)的作用也顯著提升，使結(jié)構(gòu)在動(dòng)能作用下的變形更依賴于半無(wú)限土體自由場(chǎng)的變形［1］。自由場(chǎng)的振動(dòng)也隨著埋深的變化而變化，從而引起結(jié)構(gòu)自身應(yīng)力應(yīng)變的變化，結(jié)構(gòu)慣性力的大小直接由加速度的大小所決定，土體與結(jié)構(gòu)相互作用程度直接影響結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力性能，土體對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用越強(qiáng)烈，則土體在地震作用下的變形對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響越大，反之，當(dāng)土體對(duì)結(jié)構(gòu)的約束比較弱時(shí)，在地震作用下的慣性力以及加速度對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響越大，因此有必要研究加速度隨結(jié)構(gòu)埋深的不同而變化的規(guī)律。綜上所述，埋深是影響綜合管廊動(dòng)力性能的關(guān)鍵因素，本文對(duì)1～6 m 深度的綜合管廊的加速度、接觸壓力、接觸剪力進(jìn)行分析。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)不同深度結(jié)構(gòu)加速度峰值分布值可看出隨著結(jié)構(gòu)的埋深增加，結(jié)構(gòu)的峰值加速度和加速度放大系數(shù)逐漸減小，結(jié)構(gòu)的慣性力也減小，這點(diǎn)與結(jié)構(gòu)沿深度方向加速度變化規(guī)律是一致的，也即：深度增加，加速度值將減小，二者成反比關(guān)系，這可能是因?yàn)樯顚拥耐馏w剪切模量比淺層土體的剪切模量大，土質(zhì)也偏硬，相對(duì)于淺層的軟土層來(lái)說(shuō)，硬質(zhì)土體對(duì)于加速度的放大作用更大，同時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的約束作用也更強(qiáng)，隨即呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的加速隨深度的增加而減小的規(guī)律［2］。通過(guò)分析不同深度峰值接觸壓力以及峰值剪力值分布規(guī)律可知：結(jié)構(gòu)與土體結(jié)構(gòu)接觸面的壓力是隨著管廊結(jié)構(gòu)埋入地下的深度的增加而變大，這也就能夠表明，隨著管廊結(jié)構(gòu)的埋藏深度的增加，土體對(duì)管廊結(jié)構(gòu)的約束性就越強(qiáng)，如果是發(fā)生地震，地下管廊結(jié)構(gòu)也會(huì)更容易受到周圍土體的作用影響。

2 接觸條件影響分析

地下綜合管廊是一種淺埋的地下結(jié)構(gòu)，管廊結(jié)構(gòu)和土體共同構(gòu)成一個(gè)相互作用的整體，因此，應(yīng)該將兩者作為一個(gè)整體進(jìn)行模型的建立。但是土體和結(jié)構(gòu)的材質(zhì)不同，在地震作用下結(jié)構(gòu)可以始終保持相鄰點(diǎn)變形的連續(xù)性，但是土體往往會(huì)發(fā)生滑移。ABAQUS中對(duì)于法向作用將接觸壓力和間隙的關(guān)系默認(rèn)為“硬接觸”，指的就是兩個(gè)物體可以通過(guò)接觸面自由傳遞壓力，當(dāng)兩者分離時(shí)，接觸壓力為零或者為負(fù)數(shù)［3］。對(duì)于切向作用常采用摩擦系數(shù)表示接觸面之間摩擦特性，針對(duì)不同摩擦系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用下的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究分析，不同接觸面條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)程如圖2所示。

圖2、圖3 比較了μ = 0，μ = 0.45，μ = ? 幾種不同接觸條件下A1 節(jié)點(diǎn)和A3 節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變幅值曲線，通過(guò)對(duì)上圖進(jìn)行分析可以知道，土體與管廊結(jié)構(gòu)的切向摩擦系數(shù)為0 時(shí)，管廊結(jié)構(gòu)受到土體的作用影響最小，即管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值最小，當(dāng)土體與管廊結(jié)構(gòu)的接觸面摩擦系數(shù)逐漸變大時(shí)，管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值也隨之增大，如果土體與管廊結(jié)構(gòu)的接觸面切向系數(shù)μ = ? 時(shí)，土體與結(jié)構(gòu)相當(dāng)于合為一體，這時(shí)的管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值也是最大的，約為系數(shù)為0.45 時(shí)的1.6～2.4 倍，表明土體與結(jié)構(gòu)是相互作用。

3 邊界條件影響分析

人工邊界條件是結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的關(guān)鍵因素，常規(guī)的邊界條件有固定邊界、無(wú)限單元、自由邊界、黏彈性邊界等。一般情況下將邊界定義為無(wú)限遠(yuǎn)處可近似的模擬現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題，但是足夠大的邊界給模型計(jì)算帶來(lái)很大的困難，計(jì)算規(guī)模、網(wǎng)格劃分等都將大量增加［4］。但是人為地將邊界截?cái)?，不能反映出?lái)無(wú)限域?qū)τ谟邢迏^(qū)域的影響，同時(shí)地震波在邊界處造成反射與散射現(xiàn)象，這將對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次作用，會(huì)加大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，存在較大的誤差。而ABAQUS 自帶的無(wú)限單元，與有限單元的區(qū)別很小，只是數(shù)據(jù)的處理函數(shù)不同，在靜力計(jì)算以及動(dòng)力計(jì)算分別加衰減函數(shù)和波傳播函數(shù)，其可將模型分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)，用有限單元對(duì)近場(chǎng)進(jìn)行模擬，無(wú)限單元對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行模擬［5］。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)邊界的條件對(duì)地下管廊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響很大，因此選擇了管廊結(jié)構(gòu)的A1 節(jié)點(diǎn)在3 種邊界條件（自由邊界、固定邊界、無(wú)限單元）下的應(yīng)變幅值及等效力進(jìn)行分析，如圖4、圖5 所示。

圖4 為A1 節(jié)點(diǎn)的不同邊界條件作用下的應(yīng)變幅值曲線，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)固定邊界結(jié)構(gòu)、無(wú)限單元邊界結(jié)構(gòu)以及自由邊界結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值及等效應(yīng)力是依次減小，因此將綜合管廊的結(jié)構(gòu)邊界設(shè)置為無(wú)限單元是最科學(xué)的選擇，既能避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，又能避免結(jié)構(gòu)不安全［6］。通過(guò)對(duì)A1～A5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在不同邊界條件下反應(yīng)分析可知，在自由邊界條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值相對(duì)較小，并且與其他兩種邊界條件下的結(jié)構(gòu)相差較大，從而確定邊界條件在綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性是不可忽略的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，首先，隨著結(jié)構(gòu)的埋深增加，管廊結(jié)構(gòu)的峰值加速度和加速度放大系數(shù)會(huì)逐漸減小，這可能是因?yàn)樯顚拥耐馏w剪切模量比淺層土體的剪切模量大，土質(zhì)也偏硬，相對(duì)于淺層的軟土層來(lái)說(shuō)，硬質(zhì)土體對(duì)于加速度的放大作用更大，同時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的約束作用也更強(qiáng)，隨即呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的加速度隨深度的增加而減小的規(guī)律。但土體與管廊結(jié)構(gòu)的峰值接觸壓力與峰值接觸剪力都是埋得越深數(shù)值越大，管廊結(jié)構(gòu)也是隨著埋深的增加受土體的影響越大。

其次，當(dāng)土體與管廊結(jié)構(gòu)的切向摩擦為0 時(shí)，地下管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值與動(dòng)力響應(yīng)都是最小，當(dāng)土體與管廊結(jié)構(gòu)的切向摩擦系數(shù)逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值與動(dòng)力響應(yīng)也會(huì)增大，這說(shuō)明土體與管廊結(jié)構(gòu)是相互作用的，如果不考慮結(jié)構(gòu)與土體接觸面之間的相對(duì)滑移將增大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

最后，固定邊界結(jié)構(gòu)、無(wú)限單元邊界結(jié)構(gòu)以及自由邊界結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值及等效應(yīng)力是依次變小的，因此在地下管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用無(wú)限單元邊界條件是較為科學(xué)的選擇，既能避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，又能避免結(jié)構(gòu)不安全，對(duì)邊界條件的分析對(duì)地下管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是十分重要的。

基金項(xiàng)目： 陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目《基于ABAQUS 的地下結(jié)構(gòu)抗震性能研究》（項(xiàng)目編號(hào)：2020KJ-15）；陜西省教育廳一般專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目《強(qiáng)震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性連續(xù)倒塌機(jī)理研究》（項(xiàng)目編號(hào)：23JK0554）

參考文獻(xiàn)

[1] 李仁康，姚愛(ài)軍，董磊.組合殼地下綜合管廊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 混凝土與水泥制品，2023（1）：39-46.

[2] 周劍敏，張琪，姬永紅.矩形波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].城市道橋與防洪，2022（5）：232-236，254，27.

[3] 董正方，曹獻(xiàn)偉，曾繁凱，等. 隧道橫向抗震合理地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2022，30（3）：776-789.

[4] 惠新楊，丁傳海. 結(jié)構(gòu)形式差異對(duì)管廊抗震性能的影響分析[J]. 四川水泥，2022（3）：35-38.

[5] 劉喜坤. 地震荷載作用下大跨城市地下綜合管廊抗震性能分析[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2022.

[6] 苗晗. 疊合裝配式綜合管廊地震響應(yīng)及抗震性能分析[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2022.