地下綜合管廊結構標準段的抗震分析

楊 佳 春

(上海市政交通設計研究院有限公司,上海 200030)

1 概述

地下綜合管廊作為城市的重要生命線工程，其重要性不言而喻，如何保證其在地震作用下的安全性是一個緊迫而又重要的命題[3]。

基于反應位移法，利用有限元計算軟件Robot Structural Analysis對荊門市某綜合管廊進行抗震計算分析，并對比在考慮抗震作用和不考慮抗震作用下的內力、配筋等結果，為地下綜合管廊結構是否需要進行抗震分析提供了重要依據。

2 反應位移法原理

反應位移法是基于一維土層的地震反應分析，其結構計算變形與實測變形較為吻合，較為清晰反映土體—結構間的相互作用，我國的《城市軌道交通結構抗震設計規范》將其作為主要計算方法[4]，反應位移法抗震計算簡圖見圖1。

3 工程案例

湖北省荊門市某綜合管廊為兩艙斷面，分別為高壓電力艙和綜合艙，斷面形式見圖2。

綜合管廊結構設計使用年限為100年，覆土厚度為2.5 m，橫斷面總長5.8 m，總高3.4 m，縱向長度每20 m分縫一道，抗震設防烈度為6度(0.05g)，場地類別為Ⅱ類，抗震設防類別為重點設防類。管廊結構頂板、底板及側墻厚度均為300 mm，混凝土強度等級為C35，采用明挖法施工，周邊土體為壓實回填土，抗浮水位取至地面，工程項目土層分布及物理力學參數詳見表1。

表1 土層分布及其物理力學參數

土層名稱天然重度/kN·m-3黏聚力/kPa內摩擦角/(°)②耕土18.077③黏土19.42815④強風化泥質粉砂巖21.34820⑤中風化泥質粉砂巖23.29027

3.1 模型建立

綜合管廊靜力作用階段，結構控制工況為正常使用極限狀態標準組合，根據裂縫寬度0.2 mm進行結構配筋；地震作用階段，結構控制工況為承載能力極限狀態偶然組合，根據承載力進行結構配筋。

分別建立靜力作用階段、地震作用階段的計算模型，見圖3，圖4。

地震作用階段平面計算模型將周圍土體作為支撐結構的地基彈簧，結構可采用梁單元進行建模。對于管廊底板的彈簧剛度取所在土層的垂直基床系數，側墻的彈簧剛度取所在土層的水平基床系數。主體結構材料比重取25 kN/m3，水比重取10 kN/m3，結構側壓力按水土分算的原則進行計算。

通過計算，場地地表最大位移umax=0.06 m；結合地勘報告，取設計地震作用基準面深度為30 m。對標準段側墻進行彈簧支座設定并計算彈簧支座絕對位移、相對位移及等效地震荷載值，來建立土層地震反應位移與結構所受地震作用力之間的聯系。

3.2 計算結果

利用有限元計算軟件Robot Structural Analysis對管廊進行抗震計算分析，計算結果見圖5，表2。

表2 內力統計對比表

位置內力標準組合地震組合控制工況F1/F3M/kN·m83.98109.43V/kN122.63151.51As/mm21 6961 232正常使用極限狀態標準組合F2M/kN·m34.0126.83V/kN108.31102.92As/mm2628600正常使用極限狀態標準組合Q1/Q2M/kN·m65.5788.52V/kN142.83186.22As/mm21 257986正常使用極限狀態標準組合Q3/Q4M/kN·m83.98109.43V/kN141.63208.17As/mm21 6961 232正常使用極限狀態標準組合Q5/Q6M/kN·m45.8478.3V/kN14.5920.83As/mm2855868承載能力極限狀態偶然組合D1/D3M/kN·m63.7794.18V/kN118.68142.92As/mm21 1841 052正常使用極限狀態標準組合D2M/kN·m52.743.47V/kN113.80116.22As/mm2942600正常使用極限狀態標準組合注:As為受拉區計算值,標準組合按0.2 mm裂縫寬度計算

綜合管廊支座處配筋由裂縫控制，通過正常使用極限狀態標準組合進行選筋可滿足地震作用效應下的承載力計算；綜合管廊側墻內側配筋若仍按正常使用極限狀態標準組合進行裂縫選筋偏不安全，控制工況應為承載能力極限狀態偶然組合。

本工程綜合管廊若不進行抗震計算，側墻內側(Q5/Q6)處配筋采用14@180(As=855 mm2)，可滿足裂縫控制要求(ω=0.186 mm)，略小于地震作用下承載能力極限狀態要求(As=868 mm2)。對綜合管廊承載力極限狀態進行復核計算，當選配14@180時，管廊內側可承受的M=77.2 kN·m略小于地震作用下承載能力極限狀態要求的78.3 kN·m。

4 規律分析

為了更好理解計算結果的適用性，選取浙江寧波和廣西欽州兩個建設場地，其中寧波為Ⅳ類場地，6度(0.05g)，欽州為Ⅱ類場地，7度(0.10g)，對同一管廊結構進行計算分析，計算結果見圖6，圖7。

從圖6，圖7中可以看出，寧波地區地震烈度與荊門一致但土質較軟，從而引起的土體位移折算荷載相對較小，Q5/Q6處以正常使用極限狀態標準組合為控制工況；欽州地區土質分布情況與荊門類似，地震烈度相對更高，Q5/Q6處以承載能力極限狀態偶然組合為控制工況且所需As相對更大些。

由此可見，地下綜合管廊在E2地震作用下基本上仍以正常使用極限狀態標準組合為控制工況；在某些建設場地條件下(地震烈度較大且設計地震作用基準面離地面較近)，綜合管廊側墻的內側配筋以承載能力極限狀態偶然組合為控制工況。

5 結語

1)對綜合管廊標準段進行抗震分析是非常有必要的。通過抗震計算可有效避免綜合管廊標準段側墻內側鋼筋只按靜力作用計算選筋不足的情況，使得結構體的安全度得到有效保證；

2)綜合管廊標準段側墻內側配筋以承載能力極限狀態偶然組合為控制工況時，鋼筋的計算面積與按裂縫選筋的面積值較為接近，適當控制正常使用極限狀態的裂縫寬度(≤0.15 mm)一般可滿足抗震計算。