地下綜合管廊交叉口節點地震動力響應特性研究＊

張博華，呂寶偉

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

地下綜合管廊交叉口節點地震動力響應特性研究＊

張博華，呂寶偉

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

對處于高烈度地震區的地下結構的動力響應研究日漸受到人們的重視，而地下綜合管廊作為淺埋地下結構，其地震動力作用更為顯著。以包頭地下綜合管廊建設為背景，采用MIDAS GTS NΧ大型有限元軟件，對地下綜合管廊交叉口節點建立三維有限元模型，采用非線性動力時程分析方法研究地下綜合管廊交叉口在地震作用下的動力響應特性，著重分析了交叉口節點在地震動力作用下的層間位移角響應及結構的受力變化規律，研究成果可為類似工程設計提供參考和借鑒。

綜合管廊；交叉口節點；動力響應；層間位移角

地下綜合管廊是以矩形、圓形為主的狹長線型結構，但為滿足管線出入、吊裝、通風、逃生等功能要求，需增加相應的功能節點。地下綜合管廊作為城市生命線工程，規范[1]規定管廊結構設計使用年限為100年，應按乙類建筑進行抗震設計。曹守金等[2]對管廊標準斷面采用反應位移法對結構內力進行了研究；岳慶霞等[3]針對管廊標準斷面采用時程分析法研究了動力邊界、結構與土相互作用、行波效應等地震動力計算中的問題；劉述虹[4]研究了8條不同頻譜特性的地震波作用下，地下綜合管廊的地震動力響應；史曉軍等[5]采用振動臺實驗研究了地下綜合管廊的動力響應。目前，針對地下綜合管廊地震響應的研究主要是針對標準斷面，而對于管廊交叉口節點的地震動力特性研究，還未見有公開文獻對其研究。本文針對地下綜合管廊交叉口節點的地震動力響應特性展開研究，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 交叉口節點工程概況

本文所研究管廊交叉口節點為四通節點，位于建設路與文明路交叉口處，2條道路上的管廊標準段面及尺寸見圖1、圖2.交叉口處文明路沿線管廊位于上部，覆土深度1.6 m。

包頭位于高烈度地震區，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2 g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，動力計算采用地震安全評估報告提供的50年超越概率2%的罕遇地震下的加速度時程曲線，如圖3所示。

2 地震時程分析

2.1 計算模型

在地震作用下，管廊結構的動力響應是一個非常復雜的過程。為正確模擬地震動在土層中的傳播，避免波動在邊界的反射對結構產生干擾，本文采用自由場人工邊界模擬無限土體對波動的吸收效果。

為減小人工邊界對結構的影響，側面人工邊界距結構的距離取4倍的結構寬度，底部人工邊界取至設計地震作用基準面，距結構的距離為3倍的結構高度，模型上部邊界取至自由地面，模型尺寸為126 m×117 m×38.1 m。土體采用實體單元，管廊結構采用板單元，梁柱采用梁單元，單元共計92 197個，節點數為95 025個，計算模型如圖4所示。

圖1 建設路管廊標準斷面（單位：cm）

圖2 文明路管廊標準斷面（單位：cm）

圖3 加速度時程曲線

圖4 交叉口節點計算模型

表1 巖土及結構材料參數

2.2 材料參數

交叉口節點處地層上部地層為沖洪積沉積物，中部為湖積沉積物，下部為沖洪積沉積物，底部為風化基巖，計算模型范圍內共有10層土。本文計算的土體采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulomb），結構采用彈性模型（Elastic），計算范圍內的土層及結構參數如表1所示。

2.3 計算結果分析

2.3.1 位移響應分析

地下綜合管廊結構在地震荷載作用下，不同埋深處結構的位移響應不同，不同結構層的相對位移時程曲線如圖5、圖6所示。頂板和中板的最大相對位移為3.04 mm，最大層間位移角為1/1 316；中板、底板的最大相對位移為0.92 mm，最大層間位移角為1/5 108；頂板和底板的最大相對位移為3.96 mm，最大層間位移角為1/2 197.由此可知，管廊結構還處于彈性工作范圍，滿足規范規定的性能Ⅱ要求。

圖5 頂板和中板相對位移時程曲線

圖6 中板和底板相對位移時程曲線

2.3.2 整體應力響應分析

地下綜合管廊結構交叉口節點的主應力分布如圖7、圖8所示。結構最大主應力及最小主應力出現在交叉口節點和標準段連接處的角點，該部位在地震荷載作用下呈現反復的拉壓循環，是結構受力的薄弱部位。

圖7 最大主應力云圖（kPa）

圖8 最小主應力云圖（kPa）

3 結論

本文通過對管廊交叉口節點的三維時程分析，探討了管廊交叉節點的地震動力特性，得出以下結論：①本文所研究的管廊交叉口在罕遇地震作用下，結構整體處于線性變形范圍，層間位移角處于規范限制內，滿足性能Ⅱ的要求；②在地震作用下，交叉口節點與標準段連接處的角點處反復處于拉壓受力狀態，是結構受力的薄弱部位，應加強該部位的結構設計；③管廊交叉口等節點結構形式復雜，空間效應明顯，抗震設計時建議采用三維模型進行設計；④限于篇幅，本文僅針對四通管廊交叉口節點進行研究，今后有必要針對三通節點及綜合管廊的其他功能節點開展這方面的研究。

［1］上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術規范［S］.北京，中國計劃出版社，2015.

［2］曹守金，單彬彬.用反應位移法進行綜合管廊地震反應分析［J］.市政技術，2017（03）：80-82.

［3］岳慶霞，李杰.地下綜合管廊地震響應研究［J］.同濟大學學報（自然科學版），2009，37（3）：285-290.

［4］劉述虹.典型綜合管廊體系地震響應分析［D］.哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2016.

［5］史曉軍，陳雋，李杰.地下綜合管廊大型振動臺模型試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2008，28（6）：116-123.

TU990.3；TU311.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.008

2095－6835（2017）21－0008－03

鐵道第三勘察設計院集團有限公司科技開發課題“城市地下綜合管廊關鍵技術研究”（編號：721660）

張博華（1989—），男，四川綿陽人，助理工程師，從事隧道及地下結構工程的設計研究。

〔編輯：劉曉芳〕