南水北調工程地下箱涵結構地震反應分析

馮瑞磊 楊麗美 王長艷

(天津市水利勘測設計院，天津 300204)

0 引言

隨著經濟的發展，地下結構在水利、交通、能源等工程領域得到越來越廣泛的應用。自從2008年汶川大地震后，抗震設計受到工程界的高度重視。本文以南水北調工程作為具體實例，采用有限元方法對其地下箱涵結構進行地震作用的動力分析計算。

1 計算方法

動力有限元法將包含對象結構物在內的整個地層劃分成有限元網格，考慮邊界條件以后，輸入地震波，進行動力響應分析，從而得出每一時刻地層和結構物中的變形、應力和應變等。

本文利用大型有限元計算程序ANSYS對地下箱涵結構進行地震反應分析，首先建立有限元模型，包括定義單元類型、單元特性、材料特性、建立幾何模型、網格劃分等前處理過程;然后，加載和求解，包括確定約束條件、施加荷載和加載方式、求解控制等;最后，結果查看，在此可以獲得計算結果并進行必要的后處理。

2 工程實例

在南水北調工程中，有許多倒虹吸、涵洞、箱涵等結構，大部分都處于地震設防區，一旦失事，會造成不可估量的損失。本文對南水北調中線一期工程天津干線地下箱涵結構進行動力分析。

2.1 工程簡介

南水北調中線一期工程天津干線西起河北省徐水縣西黑山村，東至天津市外環河西，全長155 km，采用無壓接有壓全自流方案的地下箱涵設計。

本工程為Ⅰ等工程，天津干線箱涵為1級建筑物，為鋼筋混凝土結構，埋深為3.5 m～5.5 m，結構材料參數取為:鋼筋混凝土密度取 2 500 kg/m3，彈性模量 E=2.8 ×104N/mm2，泊松比0.17。箱涵抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.15g。

由于箱涵結構在長度方向可看作無限長，可截取其橫斷面作為分析對象，把三維問題簡化為二維平面應變問題。三孔箱涵結構尺寸為3 m ×3.8 m ×3.8 m，頂板厚0.6 m，底板厚0.7 m，側墻厚0.55 m，中墻厚0.45 m，計算簡圖如圖1所示。

圖1 三孔箱涵結構計算簡圖

2.2 模型建立

本文以地震作用下的三孔地下淺埋箱涵為研究對象，對土—地下結構動力相互作用體系的有限元建模、系統運動方程的建立和求解等，采用ANSYS的二維實體單元Plane42來離散土體和地下結構。計算模型網格劃分如圖2所示，共5 380個單元，5 650個節點。采用地下結構寬度的8倍作為地基截取范圍。

圖2 三孔結構有限元網格

本文利用ANSYS中的DYNA模塊實現地震波的輸入。首先把結構最底層的節點(即基巖上的節點)定義成一個Componet，把地震波定義成兩個數組，其中一個為時間TIME，另一個與時間相對應的地震位移數組DISP，然后根據路徑SolutionDifine loadsApply即可直接加載在之前定義的Component上。

2.3 計算結果

本文分別對豎向地震作用、水平向地震作用和水平—豎向耦合地震作用下三孔箱涵的應力和位移進行計算分析。

1)豎向地震力對地下結構的影響主要表現在:中墻和頂板、底板相交處的外側，大主應力明顯急劇增加，結構腋角處小主應力較大。最大主應力約為0.06 MPa，出現在頂板下部，最小主應力約為－0.10 MPa，出現在板和中墻交接處兩側。結構頂板跨中節點處應力非常大，所以在位移分析中選取這些點作為控制點，最大位移為3.98 cm，如圖3所示。

圖3 豎向地震作用下Y向位移曲線圖

2)水平向地震力對地下結構的影響主要表現在:最大主應力、最小主應力產生在中墻底板、頂板相交的腋角處，其他腋角部位應力也非常集中。最大主應力約為0.34 MPa，出現在中墻和板相交的腋角處，最小主應力約為－0.34 MPa，出現在中墻和板相交的腋角處。中墻頂板節點應力非常大，所以在位移分析中選取這些點作為控制點，最大位移為1.84 cm，如圖4所示。

3)水平—豎向耦合地震反應對地下結構的影響主要表現在:最大主應力、最小主應力產生在中墻和底板、頂板相交的腋角處，其他腋角部位應力也非常集中。最大主應力約為0.29 MPa，出現在中墻和板相交的腋角處，最小主應力約為－0.38 MPa，出現在中墻和板相交的腋角處。中墻頂板節點應力非常大，所以在位移分析中選取這些點作為控制點，X向最大位移為1.91 cm，Y向最大位移為3.73 cm，如圖5，圖6所示。

圖4 水平地震作用下節點X向位移曲線

圖5 耦合作用下控制節點X向位移曲線

3 結語

由于地下結構全部埋置于土中，周圍介質會對其結構存在約束作用，因此在地震作用下結構的受力特點明顯不同于地上結構。水平—豎向耦合作用的地震反應，并不是水平豎向地震作用的簡單疊加。耦合作用下的應力值反而比在水平作用下的值小，說明耦合作用時，豎向地震力限制了水平地震力的作用。

在地震力作用下，地下箱涵結構最大應力發生偏移，中墻端部、各腋角處應力比較集中，最容易發生破壞。在結構設計時，對于具有中墻的地下結構，在腋角應加強配筋，并且應加強結構的韌性，以吸收強加的變形。

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