淺談綜合管廊在地震荷載作用下研究現狀

王洪宇　王皓　郜品一

摘 要：本文主要介紹地下綜合管廊的破壞形態，指出研究地下綜合管廊抗震性能的必要性，闡述兩種地下結構抗震的理論與計算方法，并對兩種計算方法進行步驟及特點予以說明。

關鍵詞：綜合管廊；破壞形態；設計方法

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A

一、綜合管廊在地震荷載作用下破壞形態

當今，地下綜合管廊的建設與發展已迫在眉睫，生產有重大影響的工程系統被人們形象地稱之為生命線系統。然而人們對于地震所帶來的對地下設施的危害卻沒有太深刻的認識，1976年，唐山7.8級地震，使這個有百萬人口的工業重鎮遭受滅頂之災，瞬間夷為平地，而這場地震也導致唐山市區地下200多km供水管線全線癱瘓，燃氣、煤氣管線多處發生爆炸，對抗災救援以及災后重建工作造成了極大的阻礙。距離關東地震震源10km左右地下通道被地震荷載拉裂產生裂縫以及崩塌現象，破壞形態主要體現為在施工縫處產生了位置錯動。地下結構的破壞主要出現在地質條件變化較大地段、地下結構截面變化處以及埋藏較淺的地下結構受到地震荷載影響也十分明顯。地震對于地下管廊的破壞大抵有如下規律：

（1）地震強度越大，管線破壞程度越嚴重。

（2）管線的材料不同，地震所造成的危害也不同，大抵按石棉水泥管、塑料管、鑄鐵管、延性鑄鐵管的順序，地震震害逐漸減輕。

（3）剛性接口的管線震害大于柔性接口的管線震害。

（4）管線越細震害越嚴重。

二、綜合管廊抗震兩種設計方法

對于地下綜合管廊的抗震有很多，現主要有以下兩種分析方法。

靜力彈塑性分析方法是一種介于彈性分析和動力彈塑性分析之間的方法。其理論核心是“目標位移法”和“承載力譜法”。最為關鍵的地方則在于建筑結構所承受的側向荷載的分布模式，而相對次要的則是建筑所受荷載的加載方式。地下抗震工程中，應變傳遞法、反應位移法等多種設計計算方法都可歸為擬靜力彈塑性分析法一類。對于地下管廊來說，在地震作用下受力主要以體積力為主，由此而知，在對地下管廊系統進行擬靜力分析時，需在計算模型中施加水平慣性體積力。具體步驟如下：

（1）首先應建立自由場模型，依據已知的土樣參數，進行地震波作用下的土層反應與分析。進行計算求解出自由場土體沿深度分布的水平等效加速度。

（2）最后，則需要建立一個地下管廊有限元模型，在其底部采取固定邊界，在兩側邊界節點采用豎直向約束，水平向采用自由形式。按照地下管廊周圍土層的所在位置逐步施加上一步中得到的沿深度分布的水平慣性加速度，至于地下管廊模型中的結構部分也按照其所在周圍土層的深度位置作用水平等效慣性加速度，然后按照慣性有限元方法進行求解。

地下結構靜力彈塑性分析方法有以下幾個特點：

（1）概念清晰明了，可以準確地反應土與結構間的相互作用，又不用考慮相互作用中的計算系數；同時還可以考慮比較復雜的斷面形式以及地質條件的影響。

（2）地下結構靜力彈塑性分析方法中的水平等效慣性加速度的求解方法較為簡單，并且容易在土與結構模型中施加，方便在設計時的工作人員使用。

（3）這種方法可以考慮強地震作用下土與結構非線性的影響，以便實現不可預見的地震發生時作用的彈塑性分析。

反應位移法采用土-結構相互作用模型來直接反應土體與結構間的相互作用，可以避免引入地基彈簧帶來的計算量和計算誤差。整體式反應位移法是一個精度高、計算簡便、適用性很強的擬靜力計算方法，可以用于地下結構的抗震分析與設計中。對于復雜斷面結構，已經不適用進行設計與計算，所以才提出了整體式反應位移法。具體步驟如下：

（1）計算出自由場地地震反應。設立自由場形式，進行輸入地震作用下的土層地震反應分析，并且計算出所對應位置的土體變形和土體加速度。

（2）計算出等效的地震的動荷載。建成不間斷的自由場土體的有限元形式。在地下管廊的結構模型的相對應位置施加求得的土體變形，計算出結構反力。計算出結構慣性力。得出的對應結構模型位置處的反應加速度，作用于結構上作為結構慣性力。

（3）構建地下結構模型進行計算分析。構建土-結構的作用模型，將結構模型的邊界固定，并且采用第二步與第三步中得出的地震作用，依據相應數據進行計算。

地下管廊抗震反應分析整體式反應位移法的特點：

（1）整體式反應位移法與一般動力有限元方法相比，這種方法不需要進行其他的分析計算，僅需進行自由場地上的土體地震反應討論與計算，防止了對土體結構的系統進行復雜的動力作用分析，在確保計算準確性的同時，極大地減少了問題中的不確定性，為設計人員提供了便利。

（2）與普通的反應位移法相比較來說，這種方式的概念較為清晰，按照土體結構的有限元模型來清楚地體現出土體與建筑物之間的互相作用，減少了地基中的彈簧系數所帶來的復雜性，增強計算準確度的同時減少了工作量。

研究抗震反應以及抗震分析與計算，在兩種方法之間顯然第二種方法較為簡單與全面。對于地下綜合管廊的抗震實例來說，兩種方法各有所長，應根據實際情況具體分析，以便于選擇出更好的方法進行研究與計算。

結語

因此，在城市現代化速度越來越快的今天，城市地下綜合管廊的建設已經逐漸完善，不過我們對于地震災害對地下結構的危害還認識得不夠透徹，所以我們更加應該重視地下綜合管廊的抗震措施，加大對地下結構抗震的研究力度，使得地下綜合管廊抗震理論逐步完善起來。

參考文獻

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