潘欽鋒，許立英，郭瑞，蘇丹鳳，蘇福慶

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.廈門中亞聯(lián)合建設(shè)工程有限公司，福建 廈門 361000；5.福建梓諾建筑工程有限公司，福建 廈門 361000)

地下綜合管廊作為“生命線”工程之一，其建設(shè)具有提高地面空間利用率、美化城市景觀、便于合理布置、維護(hù)城市管線等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)，我國(guó)為發(fā)展城市地下綜合管廊的建設(shè)，在全國(guó)36個(gè)大中城市開(kāi)展了地下綜合管廊建設(shè)的試點(diǎn)工程項(xiàng)目，旨在切實(shí)解決“空中蜘蛛網(wǎng)”“馬路拉鏈”等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外地下結(jié)構(gòu)數(shù)量呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而地下結(jié)構(gòu)的災(zāi)害亦隨之頻繁出現(xiàn)，使得地下結(jié)構(gòu)如綜合管廊的抗震問(wèn)題逐漸受到地震行業(yè)工作者的重視。綜合管廊的抗震研究方法主要包括原型觀測(cè)法、模型試驗(yàn)法、擬靜力法和數(shù)值模擬法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們亦由此展開(kāi)了大量研究[2-6]。張博華等[7]通過(guò)MIDAS建立了地下管廊十字交叉節(jié)點(diǎn)三維模型，分析了交叉管廊在地震作用下的層間位移角及結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律。嚴(yán)濤等[8]設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用鋼筋環(huán)扣連接技術(shù)的裝配式綜合管廊，并對(duì)其角部不利節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗彎模型試驗(yàn)，研究了節(jié)點(diǎn)的受彎破壞特征和力學(xué)性能。李正英等[9]通過(guò)對(duì)6個(gè)足尺墻板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)荷載下的模型試驗(yàn)，研究了應(yīng)用墩頭錨固鋼筋技術(shù)的地下綜合管廊墻板節(jié)點(diǎn)的抗震性能。然而，直至目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)干式連接的分片裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的受力模式卻鮮有研究。

另一方面，在綜合管廊抗震設(shè)計(jì)中，我國(guó)最常用的是有限元法和反應(yīng)位移法，但由于反應(yīng)位移法無(wú)法考慮土體-結(jié)構(gòu)間相互作用、難以確定地基彈簧參數(shù)等問(wèn)題，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力計(jì)算出現(xiàn)較大偏差[10]。而有限元法則可相對(duì)真實(shí)地反映綜合管廊與周圍土體的受力狀態(tài)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的時(shí)間歷程分析，適用性較強(qiáng)[11-12]，故采用有限元法輸入實(shí)際地震動(dòng)對(duì)分片裝配式綜合管廊的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析是必要的。

為此，本文以福建省某干式連接分片預(yù)制裝配式綜合管廊為工程實(shí)例，通過(guò)有限元軟件ABAQUS建立土體-綜合管廊的三維模型，選取3條不同頻譜特性的地震波，并依次按照多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震條件進(jìn)行調(diào)幅，采用時(shí)程分析法探討不同地震動(dòng)作用對(duì)綜合管廊的結(jié)構(gòu)受力及變形的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

本工程全長(zhǎng)為35.5 km，其中淺槽段為16.4 km，區(qū)間結(jié)構(gòu)寬度為10.3 m，底板埋深為8.25～10.25 m，頂板上覆土為2～4 m，場(chǎng)平標(biāo)高2.123～24.66 m。本工程淺槽段區(qū)間采用明挖預(yù)制法施工，部分采用明挖現(xiàn)澆法施工?？辈炱陂g在場(chǎng)地及鉆孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)對(duì)工程安全有影響的任何不良地質(zhì)作用。主體結(jié)構(gòu)為單層雙跨框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為6.05 m，結(jié)構(gòu)寬度為10.3 m，頂板、底板、側(cè)墻厚度為0.5 m，中隔墻厚度為0.4 m。預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的斷面如圖1所示。

圖1 預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段斷面圖Fig.1 Illustration of prefabricated standard segment in cross section

地下結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)使用年限為100年，區(qū)間結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫控制等級(jí)為三級(jí)。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范[13-14]，擬建場(chǎng)區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)防類別劃為重點(diǎn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震為第3組，并按照8度采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。該綜合管廊采用預(yù)應(yīng)力連接分片預(yù)制裝配的方式制作、運(yùn)輸和拼接，預(yù)應(yīng)力螺紋鋼的公稱直徑為40 mm，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為1 230 MPa。普通鋼筋等級(jí)為HPB300級(jí)、HRB400級(jí)兩種。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10。

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 單元類型及材料參數(shù)

土體、混凝土和鋼墊塊采用C3D8R單元，普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋則均采用T3D2單元，其中鋼墊塊是用來(lái)確保預(yù)應(yīng)力有效傳遞至混凝土構(gòu)件，同時(shí)避免應(yīng)力集中以提高模型收斂性。

土體的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，該模型是巖土工程領(lǐng)域的代表模型之一，具有物理概念明確、參數(shù)類型相對(duì)較少等特點(diǎn)，結(jié)合勘察報(bào)告，土體的材料參數(shù)輸入見(jiàn)表1?；炷敛捎盟苄該p傷模型，其材料參數(shù)輸入詳見(jiàn)表2，鋼材則采用理想彈塑性本構(gòu)模型，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]進(jìn)行計(jì)算。此外，為更貼近實(shí)際效果，采用降溫法來(lái)模擬張拉預(yù)應(yīng)力筋后產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，其主要通過(guò)熱脹冷縮的方式來(lái)施加預(yù)壓應(yīng)力的數(shù)值。經(jīng)計(jì)算，本模型初始溫度場(chǎng)的溫度設(shè)為370 ℃，之后溫度降低至0 ℃。

表1 土體材料參數(shù)Tab.1 Material properties of soil

表2 混凝土材料參數(shù)Tab.2 Material properties of concrete

1.2.2 地震波選取

基于地震動(dòng)反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)譜統(tǒng)計(jì)意義一致的原則，在滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)地震動(dòng)強(qiáng)度、持時(shí)及頻譜特性條件下，選取了EI Centro、Vrancea和Ferdows地震波，其加速度時(shí)程曲線如圖2所示。并且，根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定的多遇地震、設(shè)防地震以及罕遇地震要求，對(duì)這3條地震波的加速度時(shí)程分別進(jìn)行調(diào)幅，最后通過(guò)底部一致激勵(lì)的方式，沿土體水平方向依次輸入地震波至模型中。

時(shí)間/s(a) EI Centro地震波

1.2.3 相互作用及網(wǎng)格劃分

土體與綜合管廊之間采用“面與面接觸”，接觸跟蹤方法為“有限滑動(dòng)”，在接觸面的屬性設(shè)置中，法向行為選擇“硬接觸”，同時(shí)選擇“摩擦”模型模擬接觸面的切向行為，摩擦系數(shù)取0.3。鋼筋與混凝土之間選用“內(nèi)嵌”的方式。預(yù)應(yīng)力筋與鋼墊塊之間的接觸采用“MPC約束法”，鋼絞線兩端點(diǎn)與鋼板中心選擇“BEAM”接觸。裝配式混凝土拼接面的切向行為定義為“罰”，摩擦系數(shù)設(shè)為0.6，而法向行為設(shè)為“硬接觸”。本文土體采用的人工邊界為一致黏彈性邊界條件。

關(guān)于三維模型網(wǎng)格的劃分，土體靠近結(jié)構(gòu)時(shí)的網(wǎng)格尺寸為1 m，相對(duì)遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的土體單元尺寸為2 m；普通鋼筋是桁架單元，即有且只有一個(gè)方向，故將沿長(zhǎng)度方向的單元尺寸設(shè)為0.2 m；裝配式預(yù)制綜合管廊是本體系動(dòng)力分析的重點(diǎn)，需要采用相對(duì)較小的網(wǎng)格尺寸，沿結(jié)構(gòu)軸向和高度方向的網(wǎng)格尺寸同設(shè)為0.2 m，如圖3所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh divisionof finite element model

2 結(jié)果與分析

為便于模型輸出計(jì)算結(jié)果，并對(duì)比和分析綜合管廊在不同地震作用下的地震響應(yīng)，該有限元模型共設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 管廊橫截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.4 Monitoring points of utility tunnel in cross section

2.1 應(yīng)力響應(yīng)分析

因受篇幅限制，本文以各地震波在設(shè)防地震工況下的最大主應(yīng)力云圖對(duì)比為例，如圖5所示。我國(guó)規(guī)范的C50混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.64，32.4 MPa，而所有工況中的最大主拉、壓應(yīng)力數(shù)值均低于該數(shù)值，滿足規(guī)范要求，在地震作用下不會(huì)出現(xiàn)混凝土受力開(kāi)裂、壓潰等現(xiàn)象。

此外，在不同地震波作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C、F、H位置附近的最大主應(yīng)力值普遍大于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值。其中，結(jié)構(gòu)整體的最大主拉應(yīng)力主要集中在側(cè)墻與頂板連接位置的外側(cè)，同時(shí)這一定程度上也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[16]的試驗(yàn)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。就結(jié)構(gòu)的最大主壓應(yīng)力而言，主要集中在側(cè)墻與頂、底連接位置的內(nèi)側(cè)，即腋角區(qū)域，這可能是因?yàn)闃?gòu)件尺寸的變化導(dǎo)致了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但這與不帶腋角的綜合管廊相比，應(yīng)力集中程度已大大降低。因此，在地震波作用下，綜合管廊結(jié)構(gòu)角部的外、內(nèi)側(cè)分別承受了較大的主拉、壓應(yīng)力，在地震作用下的破壞損傷可能性最高。

(a) EI Centro地震波

2.2 加速度響應(yīng)分析

按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置依次導(dǎo)出加速度時(shí)程曲線，并提取各點(diǎn)在不同工況條件下的加速度響應(yīng)峰值，匯總見(jiàn)表3。經(jīng)對(duì)比可知，不同地震波作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)有明顯差異，這說(shuō)明了在有限元分析時(shí)選取合適地震動(dòng)輸入的重要性。其中，EI Centro地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用最為明顯，可將其作為典型地震動(dòng)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。

表3 管廊各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值Tab.3 Maximum acceleration response for each monitoring point of utility tunnel m·s-2

此外，在多遇地震、設(shè)防地震工況條件下，隨著結(jié)構(gòu)埋深的減少，綜合管廊的加速度響應(yīng)呈不斷增大的趨勢(shì)；然而，在罕遇地震工況條件下，對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)變化趨勢(shì)卻恰好相反，即此時(shí)結(jié)構(gòu)的加速度峰值出現(xiàn)位置由頂板轉(zhuǎn)向底板。但它們的增幅則受地震波類型的影響較大，加速度放大效應(yīng)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增加而增大。這也意味著，管廊側(cè)墻和中隔墻的加速度響應(yīng)較小，且其均未出現(xiàn)加速度放大效應(yīng)，而管廊的頂、底板因加速度響應(yīng)較大，可能成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是在罕遇地震作用下容易出現(xiàn)破壞。

2.3 相對(duì)位移響應(yīng)分析

為進(jìn)一步了解管廊在不同工況條件下的相對(duì)位移響應(yīng)變化之間的規(guī)律，取各工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)B、G和監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E的位移大小作差，分別得到頂、底板相對(duì)位移和側(cè)墻相對(duì)位移，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。可見(jiàn)，頂、底板的相對(duì)位移與地震工況條件幾乎無(wú)關(guān)，均約為3.6 cm，而側(cè)墻與中隔墻的相對(duì)位移會(huì)隨著地震強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，但其最大值仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于頂、底板的相對(duì)位移。為此，結(jié)合2.2節(jié)、2.3節(jié)分析內(nèi)容可知，預(yù)應(yīng)力筋拼接位置在地震過(guò)程中具有良好的受力、變形性能。

地震工況(a) EI Centro地震波

同時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和監(jiān)測(cè)點(diǎn)G的最大水平位移之差與結(jié)構(gòu)側(cè)墻高度的比值稱為剪切角，用該參數(shù)來(lái)表示管廊結(jié)構(gòu)整體的剪切變形。經(jīng)計(jì)算，在EI Centro地震波作用下各工況對(duì)應(yīng)的剪切角依次為0.003 70，0.001 11，0.004 15；同理，Vrancea地震波作用下，對(duì)應(yīng)的剪切角依次為0.001 97，0.002 00和0.002 68；Ferdows地震波作用下，3種工況對(duì)應(yīng)的剪切角依次為0.000 05，0.000 99和0.002 45?？梢?jiàn)，本文選取的3條地震動(dòng)曲線輸入的剪切角計(jì)算結(jié)果，均滿足我國(guó)規(guī)范要求，表明該預(yù)應(yīng)力筋連接的上、下分片預(yù)制綜合管廊的抗震性能良好。

3 結(jié)論

(1)在橫向地震波作用下，綜合管廊角部的外、內(nèi)側(cè)分別承受了較大的主拉、壓應(yīng)力，屬于結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以重視。

(2) 在多遇地震、設(shè)防地震工況條件下，管廊的加速度響應(yīng)隨結(jié)構(gòu)埋深的減小而增大，但在罕遇地震工況下的趨勢(shì)恰好相反。其中，在EI Centro地震動(dòng)激勵(lì)下，綜合管廊結(jié)構(gòu)所受的加速度放大效應(yīng)最為明顯。

(3) 在不同地震工況下，管廊頂、底板間的相對(duì)位移幾乎不變，而側(cè)墻間的相對(duì)位移隨地震強(qiáng)度的增加而增大，且該裝配式綜合管廊的剪切角滿足我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)要求。