李剛　趙文博　楊夢柔

摘 要：為降低地震對城市地下綜合管廊內(nèi)部管道運營安全的影響，利用三維有限元數(shù)值模擬對圍巖-管廊體系進(jìn)行模態(tài)分析，提出新型減隔震支架和減隔震支墩設(shè)計方案，對圍巖-管廊體系、圍巖-管廊-支架體系和圍巖-管廊-支墩-管道體系進(jìn)行動力時程分析，并對減隔震支架進(jìn)行室內(nèi)抗震性能試驗。結(jié)果表明：圍巖-管廊體系前十階固有頻率位于3.5～6.1 Hz間，與地震波頻率接近，地震作用下容易出現(xiàn)共振；管廊橫截面上部及底部棱角處動載荷均超過40 MPa，中上部位移變形超過30 mm，受地震作用影響大；地震作用下，減隔震支架最大位移較普通支架降低55%，且較大位移持續(xù)時間明顯縮短；最大應(yīng)力較普通支架減小26%，且最大應(yīng)力由支架根部移至支架斜撐位置；減隔震支墩支撐管道最大位移較普通支墩降低9.97%，且管道位移相位后移；最大應(yīng)力較普通支墩降低約24%；減隔震支架極限抗拉承載力為普通支架的2.39倍，極限抗壓承載力為普通支架的4.53倍，抗震性能顯著優(yōu)于普通支架。新型減隔震裝置的抗震性能及承載力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)裝置，可有效降低地震對管線安全的影響。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；動力有限元；振動臺試驗；減隔震裝置；時程分析

中圖分類號：TU 990.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-9315（2023）05-0933-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0510

Study on seismic performance of seismic isolation equipment for utility tunnel

LI Gang1，ZHAO Wenbo2，YANG Mengrou2

Abstract：In order to reduce seismic impact on the operation safety of urban utility tunnels，a modal analysis and a dynamic time－h(huán)istory analysis of utility tunnel were carried out by finite element numerical simulation，with the design scheme of seismic support and seismic buttress determined.And a dynamic time－h(huán)istory study of support and buttress were made，and the dynamic load tests were conducted on support.Numerical simulation results show that：the first ten natural frequencies of utility tunnel are in the range of 3.5～6.1 Hz，which is close to the seismic wave frequency and easy to result in resonance.The dynamic loads at the top and bottom corners of utility tunnel are exceeded 40 MPa，and the displacement deformation at the upper corner are exceeded 30mm;under the seismic wave，the maximum displacement of the seismic support is 55% lower than that of traditional one，and the duration of the large displacement is significantly shortened;the maximum stress of the seismic support is 26% lower than that of traditional one，and the maximum stress moved from the root of the support to the inclined support position;the maximum displacement of the seismic buttress is 9.97% lower than that of traditional one，and the time of displacement was delayed，the maximum stress of the seismic buttress is 24% lower than that of traditional one.The maximum tensile capacity of the seismic support is 2.39 times that of the traditional one，while the maximum pressure is 4.53 times that of the traditional one.The seismic performance of the seismic support is significantly better than that of the traditional one.The research confirms that the seismic performance and bearing capacity of seismic equipment are significantly better than that of traditional one;the pipelines safety can be effectively promoted.

Key words：utility tunnel;dynamic finite element;dynamic load test;seismic equipment;time history analysis

0 引 言

綜合管廊收納城市供水、供氣、電力、通訊等多種管線，具有形狀簡單、尺寸偏小、縱橫方向錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點。地震作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)破壞，會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)供電、供水等功能障礙，直接影響城市正常運轉(zhuǎn)，同時由于特殊的建造結(jié)構(gòu)和工程性質(zhì)，管廊結(jié)構(gòu)破壞位置往往較為隱蔽且修復(fù)困難。因此，分析綜合管廊抗震性能、研發(fā)綜合管廊減隔震控制技術(shù)十分必要。

國外對綜合管廊抗震性能的研究起步較早。管廊主體結(jié)構(gòu)抗震性能方面，KIMURA等提出通過優(yōu)化施工方法來提升綜合管廊抗震性能[1]；CANTO等分析了綜合管廊抗震性能提升目標(biāo)[2]；MARSHALL等研究了土與管廊之間的作用關(guān)系，分析了結(jié)構(gòu)埋深、土體剛度等因素的影響[3-5]；SARAH等提出了地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)施升級方案，為管廊抗震提供參考[6]；PITILAKIS等從受力、位移、變形模式等方面系統(tǒng)研究了地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征[7]；NKANURA等提出采用錨桿和CFRP作為綜合管廊的防護措施，有效地降低了墻板接縫處剪切破壞的機率[8]；管廊內(nèi)部減隔震裝置方面，ZAGHI等分析了地震作用下管廊的破壞模式[9]；TIAN等通過室內(nèi)試驗研究了不同形式支架的抗震性能差異[10-11]，結(jié)果顯示支架連接件性能顯著影響支架的抗震性能。

國內(nèi)對綜合管廊主體結(jié)構(gòu)抗震性能的研究最早見于2007年，岳慶霞、JIANG、CHEN、馮瑞成、黃子淵等通過數(shù)值模擬和足尺試驗研究了管廊抗震性能的關(guān)鍵影響因素[12-16]；陳國興、楊劍等分析了可液化土層上綜合管廊的動態(tài)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)變形特征[17-18]；劉述虹等通過數(shù)值模擬分析不同工況下管廊的動態(tài)響應(yīng)特征[19-21]；黃臣瑞、王鵬宇、XU等對比了預(yù)制拼裝管廊和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)管廊在地震作用下的動力響應(yīng)特征，提出了預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)抗震性能影響因素[22-24]。減隔震裝置方面，由浩宇研究了減隔震裝置剛度、阻尼、幾何尺寸等要素對管廊抗震效果的影響[25]；尚慶學(xué)等通過擬靜力試驗研究了鋼纜式、梁夾式、螺桿式3類抗震支撐的極限承載力，結(jié)果表明螺桿式抗震支撐的承載力最高，且吊桿直徑越小其變形能力越大[26]。

目前國內(nèi)外對綜合管廊抗震性能的研究更多集中在主體結(jié)構(gòu)方面，對管廊內(nèi)部支架、支墩等附屬設(shè)施的研究相對較少，已有研究成果系統(tǒng)性不足。在分析地震作用下圍巖-管廊體系力學(xué)響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，針對綜合管廊抗震需求提出新型減隔震裝置，并通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗驗證其抗震性能，可為綜合管廊抗震能力的提升提供技術(shù)支撐。

1 模擬方法及參數(shù)

地下綜合管廊大多為淺埋，以明挖法為主，截面多為矩形或近似矩形，在建立有限元模型的時候，平面應(yīng)變模型或平面應(yīng)力模型都不能準(zhǔn)確地描述其變形特性。結(jié)合地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的特點，考慮土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，借助有限元軟件建立三維有限元模型。

1.1 物理模型

1.1.1 土體模型

土體采用Drucker－Prager模型，以更好的反應(yīng)巖土材料屈服強度特性。土體各向均質(zhì)、同性、水平方向無限伸展；綜合管廊結(jié)構(gòu)與周圍土體不發(fā)生相對滑動；不考慮孔隙水壓變化影響；地基在地震作用下不出現(xiàn)沉降和失穩(wěn)現(xiàn)象。

1.1.2 土-管廊接觸面

由于管廊與土體2種材料物理力學(xué)性質(zhì)差異很大，在地震作用下，二者之間會出現(xiàn)較大的相對變形，接觸面的相互作用是一個復(fù)雜的非線性接觸問題。分析時采用目前較為有效的處理方法——接觸對法，定義剛性體作為從接觸面，柔性體的表面作為接觸面；采用Lagrange乘子算法，以TARGE 170單元模擬3D情況下的剛性面，以CONTA 173單元模擬3D情況下的柔性面。

1.1.3 邊界條件

對綜合管廊結(jié)構(gòu)與土體尺寸而言，為減少波在邊界的反射對分析的影響，一般將土體簡化為無限域模型。但在實際分析中，有限元分析軟件只能對土體的有限范圍進(jìn)行分析，且地基范圍過大而結(jié)構(gòu)過小時，不能真實的反應(yīng)動力情況。采用人工粘彈性邊界條件建立模型，通過彈簧阻尼系統(tǒng)來表征粘彈性邊界特性；引入等效實體單元，將實體單元外層邊界固定，通過定義等效單元的材料性質(zhì)，使其等效于彈簧阻尼系統(tǒng)。

1.2 地震波選取和輸入

提取地震波中信息最為豐富的前15 s作為分析過程中的輸入地震波，將其加速度作為模型的水平方向加速度，其他兩個方向的地震波按照1（水平1）∶0.85（水平2）∶0.65（豎向）確定，并對水平2、豎向兩個方向進(jìn)行幅值的調(diào)整，達(dá)到7°設(shè)防的要求（圖2）。

1.3 圍巖-管廊體系有限元模型建立

根據(jù)管廊單倉結(jié)構(gòu)形式，取60 m長作為分析對象，構(gòu)建有限元模型（圖3）。模型橫截面的側(cè)向邊界取至離相鄰結(jié)構(gòu)邊墻3倍結(jié)構(gòu)寬度處，底部邊界取至試算結(jié)果趨于穩(wěn)定的深度處；縱向邊界取至離結(jié)構(gòu)端部距離為2倍結(jié)構(gòu)橫斷面面積當(dāng)量寬度處的橫剖面。

綜合管廊為混凝土結(jié)構(gòu)，建模時單元類型選擇Shell 65，彈性模量E為3.0×1010 Pa，泊松比μ為0.25，密度ρ為2 400 kg/m3。土體單元類型選擇Shell 45，彈性模量E為59×106 Pa，泊松比μ為0.4，密度ρ為2 000 kg/m3，黏聚力c為19 kPa，內(nèi)摩擦角φ為30°，膨脹角為0°。

2 圍巖-管廊體系地震響應(yīng)特征

2.1 模態(tài)分析

對圍巖-管廊體系進(jìn)行模態(tài)分析，提取前十階固有頻率及振型。

圍巖-管廊體系前10階固有頻率位于3.5～6.1 Hz，均為低頻。多發(fā)地震頻率一般在15 Hz之內(nèi)，也集中在低頻，因此地震作用下管廊易產(chǎn)生共振，影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性（圖4）。

管廊結(jié)構(gòu)和土體的振動規(guī)律基本相似，說明管廊結(jié)構(gòu)的振動受到土體變形的控制。同時，一階振型下結(jié)構(gòu)主要為整體橫向振動，之后隨著階數(shù)的增加，出現(xiàn)豎向振動和整體扭振，對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。結(jié)構(gòu)頂板的變形較大，說明該位置處震動最為強烈，需加強抗震設(shè)計（圖5）。

2.2 動力時程

加載地震波，分析管廊橫斷面不同位置、不同時刻的應(yīng)力和位移變化情況。在管廊橫斷面的下部、中部和頂部布設(shè)8處采樣點（圖6）。

不同位置處最大應(yīng)力均出現(xiàn)在6～8 s，應(yīng)力水平相差較大。P2、P4、P5、P7等中部位置應(yīng)力曲線變化幅度較小，應(yīng)力分布在0～8 MPa，水平較低；而P3和P6端點處應(yīng)力水平較高，最大值分別為43.20，42.68 MPa，接近混凝土抗壓強度，易產(chǎn)生破壞（圖7）。

不同位置處最大位移也出現(xiàn)在6～8 s，但水平相差較小，總體而言中上部節(jié)點位移變化大于下部節(jié)點，最大值為P2位置處的35.4 mm（圖8）。

3 減隔震裝置設(shè)計

管廊內(nèi)部用于懸掛或支撐管線的裝置主要包括支架和支墩2類；支架一般為鋼構(gòu)件，安裝于管廊上部支撐較輕的管線；支墩則為混凝土或磚砌結(jié)構(gòu)，用于支撐管廊下部自重較大的管線。

3.1 支架

傳統(tǒng)支架多采用預(yù)埋鐵板+焊接支吊架的結(jié)構(gòu)形式，支架直接焊接或用螺栓連接在綜合管廊側(cè)壁的預(yù)埋鋼件上，結(jié)構(gòu)剛度較大且僅對管線提供豎向支撐。

在管廊側(cè)壁預(yù)埋鋼架，橫梁垂直安裝于鋼架側(cè)面，為管線提供豎向支撐；橫梁與鋼架之間設(shè)置緩沖塊，用以減輕地震對支架的直接作用；橫梁下方和側(cè)面設(shè)置斜向支撐，使支架在地震作用下存在一定容許位移；在橫梁端部設(shè)置限位塊，限制管線的橫向移動（圖9）。

3.2 支墩

傳統(tǒng)支墩一般為設(shè)有弧形槽的混凝土結(jié)構(gòu)，管道直接放置于結(jié)構(gòu)之上或經(jīng)簡單固定，能夠承載重力和水平方向受力，但是無法有效吸收地震帶來的震動力，地震作用下易產(chǎn)生較大位移；且支墩與管道剛性接觸，在地震力作用下易造成破壞。

型鋼底座錨栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，將管道放置在底座上；管道上方設(shè)置鑄鐵限位圈，并將限位圈與底座用螺栓連接，用于限制管道的豎橫向移動；底座及限位圈內(nèi)部與管道相接處設(shè)置阻尼橡膠墊，避免管道與支墩的剛性碰撞（圖10）。

4 圍巖-管廊-支撐體系抗震分析

4.1 圍巖-管廊-支架體系

建模時水泥混凝土單元類型選擇Shell 65，彈性模量E為3.0×1010 Pa，泊松比μ為0.25，密度ρ為2 400 kg/m3。鑄鐵及鋼件單元類型選擇Shell 63，彈性模量E為2.06×1011 Pa，泊松比μ為0.31，密度ρ為7 850 kg/m3。橡膠材料簡化為弾性模型，單元類型選擇Shell 45，彈性模量E為50×106 Pa，泊松比μ為0.45，密度ρ為1 300 kg/m3。

普通支架最大應(yīng)力位于支架橫梁根部，為66.4 MPa，可能造成支架沿根部焊接縫處斷裂破壞或管廊側(cè)壁的破壞。而減隔震支架最大應(yīng)力位置移至支架斜撐連接處，為49.4 MPa，較普通支架降低26%（圖11），說明減隔震支架的緩沖塊和斜撐組件減震作用明顯，改善了支架受力情況，提升了整體穩(wěn)定性。

普通支架最大位移為20.9 mm，減隔震支架為9.4 mm，位移幅度降低55%；同時普通支架在6～10 s內(nèi)位移均較大，而減隔震支架僅在6 s左右出現(xiàn)最大值，較大位移持續(xù)時間明顯縮短（圖12）。說明減隔震支架中斜撐組件自身的運動與變形起到了耗能減震的作用，使支架的整體變形得到了有效控制。

4.2 圍巖-管廊-支墩-管道體系

建立圍巖-管廊-普通支墩-管道和圍巖-管廊-減隔震支墩-管道有限元模型。

采用普通支墩管道的最大應(yīng)力位于管道與底座的接觸角點處，為2.95 MPa；而采用減隔震支墩管道的最大應(yīng)力位于鑄鐵限位圈側(cè)面阻尼橡膠與管道接觸點位置處，為2.24 MPa，降低24.06%（圖13）。說明減隔震支墩中的阻尼橡膠及限位圈有效改善了管道的受力環(huán)境，起到明顯的隔震避震作用。由于支架根部及斜撐連接部位存在應(yīng)力集

中的現(xiàn)象，因此支墩的最大應(yīng)力分析結(jié)果小于支架。

采用普通支墩管道的最大位移為3.41 cm，而采用減隔震支墩的則為3.07 cm，減小9.97%；同時采用減隔震支墩的管道位移出現(xiàn)時間相對后移（圖14）。說明減隔震支墩中增設(shè)的限位圈和阻尼橡膠墊，有效抑制了管道隨地震的跳動。

5 抗震性能室內(nèi)試驗

5.1 試驗準(zhǔn)備

5.1.1 試驗設(shè)備

參考行業(yè)規(guī)范《建筑機電設(shè)備抗震支吊架通用技術(shù)條件》（CJ/T 476—2015）設(shè)計試驗，試驗儀器選用SDS500電液伺服動靜試驗機。由于試驗儀器只能加載垂直方向動力，因此減隔震支架試件僅設(shè)置了縱向支撐，但也能充分反應(yīng)支架的減隔震效果。

5.1.2 試驗步驟

將支架安裝在試驗機，使其承受規(guī)定的循環(huán)荷載，加載頻率為0.1 Hz。在試驗中，前15次循環(huán)加載的力值幅值是固定的，為等幅加載；其后為增幅值加載，每次循環(huán)加載的力值幅值都是前次循環(huán)的加載幅值的（15/14）1/2倍；出現(xiàn)以下任意一種情況時，則試驗結(jié)束：組件試驗過程中豎直面內(nèi)的位移超過50 mm；循環(huán)加載數(shù)滿足試驗要求，即完成55次循環(huán)加載；構(gòu)件出現(xiàn)破壞。

5.1.3 初始荷載

對于預(yù)計載荷小于2.25 kN的單套支架，施加在試樣上的初始載荷為2.25 kN；當(dāng)支架在一組動載荷試驗下未發(fā)生破壞時，則采用初始載荷為9 kN對其加載，以確定支架的承載極限。

5.2 試驗結(jié)果

支架破壞位置均為橫梁根部焊縫處，該處為應(yīng)力集中位置，試驗結(jié)果與動力有限元分析結(jié)果一致。同時，新型減隔震支架極限抗拉承載力為普通支架的2.39倍，極限抗壓承載力為普通支架的4.53倍，新型減隔震支架可有效降低地震對綜合管廊內(nèi)部管線的作用，減隔震性能顯著優(yōu)于普通支架（表1）。

6 結(jié) 論

1）圍巖-管廊體系前10階固有頻率均為低頻，地震作用下易產(chǎn)生共振；上部及棱角處受地震作用影響大，需提升支撐裝置的抗震性能。

2）提出新型減隔震支架、減隔震支墩設(shè)計方案。地震作用下減隔震支架、減隔震支墩可有效改善結(jié)構(gòu)受力情況，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象；可有效降低最大位移，控制整體變形。

3）減隔震支架室內(nèi)振動試驗中極限抗拉承載力、極限抗壓承載力較普通支架均有明顯降低，減隔震性能優(yōu)越。

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（責(zé)任編輯：李克永）

收稿日期：2023-05-15

基金項目：陜西省交通科研項目（21-58X）

通信作者：李剛，男，陜西西安人，博士研究生，教授級高級工程師，E－mail：lig_0101@163.com