某地下綜合管廊抗震驗(yàn)算

張雪濤 胡鳴鴿

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

1 工程概況

本工程位于我國華北平原地區(qū)，綜合管廊長度為2.0 km，結(jié)構(gòu)斷面尺寸為14.4 m×10.1 m，為地下2層結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工；上層為地下道路層，凈高4.3 m，每個車道寬3.1 m，雙向四車道；下層為管廊層，包括四個艙，分別為燃?xì)馀摗⒕C合艙、電力艙、污水艙，凈寬依次為2.0 m,3.9 m,3.3 m,2.4 m，凈高均為3.6 m。標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

2 結(jié)構(gòu)概況

綜合管廊結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)型式，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C35，鋼筋牌號為HRB400E級，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件見表1。

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件表

3 場地概況

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，本場區(qū)地下水為潛水，穩(wěn)定水位標(biāo)高為-13.12 m～16.01 m，地下水位為-20.5 m～-23.5 m，水位年變幅為3 m～5 m，抗浮設(shè)防水位為規(guī)劃地面下1.0 m，局部存在輕微液化，開挖基坑時已將液化土層全部挖除，可不考慮進(jìn)行地基處理；無其他不良地質(zhì)。

4 荷載的分類與荷載的組合

結(jié)構(gòu)計(jì)算所采用的荷載根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型，分為三類：永久荷載、可變荷載和偶然荷載(地震作用)，對施工和使用期間結(jié)構(gòu)的整體或結(jié)構(gòu)的某個構(gòu)件可能出現(xiàn)的最不利組合進(jìn)行計(jì)算，荷載分類詳表見表2。

表2 荷載分類詳表

建模計(jì)算時按結(jié)構(gòu)整體或某個單個結(jié)構(gòu)構(gòu)件有可能出現(xiàn)的最不利工況進(jìn)行荷載組合，并結(jié)合施工過程中可能出現(xiàn)的荷載變化情況分階段進(jìn)行計(jì)算，所用荷載分項(xiàng)系數(shù)見表3(括號內(nèi)為其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利情況)。

表3 荷載組合系數(shù)表

5 計(jì)算模型與計(jì)算簡圖

本工程綜合管廊結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆箱型框架結(jié)構(gòu)型式，沿管廊的縱向，管廊斷面與荷載分布均無較大突變，地基承載力較為均勻，因此本工程結(jié)構(gòu)的模型分析可近似簡化為平面問題。

管廊結(jié)構(gòu)的計(jì)算軟件采用通用有限元模型計(jì)算軟件SAP84，按照有限元法(平面桿系)進(jìn)行使用階段的結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力計(jì)算。

模型的基本假定與計(jì)算方法為：1)縱向取1 m寬的管廊作為結(jié)構(gòu)分析單元，計(jì)算采用一次加載的“荷載—結(jié)構(gòu)”模型，沿管廊縱向取單位長度的管廊采用平面桿系有限元法進(jìn)行分析計(jì)算。2)用剛度等效的受壓彈簧模擬地層對結(jié)構(gòu)位移的約束作用。當(dāng)計(jì)算中彈簧的反力值大于地基承載力時，或彈簧反力值大于被動土壓力時，則刪除該彈簧并代之以地基反力或被動土壓力。彈簧為受壓彈簧，當(dāng)彈簧受拉時，則取消底板受拉彈簧。反應(yīng)位移法作為一種擬靜力分析方法，相比于動力時程法，分析工作量大大降低，因此成為規(guī)范重點(diǎn)推薦的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法[1]。本工程采用反應(yīng)位移法進(jìn)行地震驗(yàn)算，其計(jì)算模型示意圖見圖2。

6 反應(yīng)位移法計(jì)算地震作用

6.1 管廊結(jié)構(gòu)所受慣性力

管廊結(jié)構(gòu)所受的慣性力的計(jì)算有兩種方法：一種是整體計(jì)算，即慣性力為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與最大加速度的乘積，該力施加在管廊結(jié)構(gòu)的形心上；二是按構(gòu)件計(jì)算，即各構(gòu)件的最大加速度與相應(yīng)構(gòu)件質(zhì)量的乘積作為該構(gòu)件的慣性力，施加在相應(yīng)的構(gòu)件形心上，由式(1)計(jì)算。

fi=mi·üi

(1)

其中，fi為管廊構(gòu)件所受的慣性力，kN；mi為管廊構(gòu)件的質(zhì)量，×103kg；üi為自由土層對應(yīng)于構(gòu)件位置處的峰值加速度，m/s2。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的慣性力計(jì)算結(jié)果見表4。

6.2 土體變形致使結(jié)構(gòu)所受側(cè)向力分析

反應(yīng)位移法分析管廊結(jié)構(gòu)抗震性能時，管廊周圍土層根據(jù)所處深度，其水平位移具體數(shù)值可由式(2)計(jì)算。

(2)

其中，U(z)為深度z處土層的相應(yīng)水平位移，m；z為土層所處深度,m；umax為工程所在場地的地表最大位移數(shù)值；H為地表到地震作用基準(zhǔn)面的距離,m。

管廊所受側(cè)向力分析匯總見表5。

7 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用有限元軟件SAP84進(jìn)行，結(jié)構(gòu)板墻采用梁柱單元模擬。經(jīng)建模分析，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理匯總見表6。

表5 管廊所受側(cè)向力分析匯總表

表6 構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總表

由表6可以看出：1)頂板邊支座和側(cè)墻中支座及跨中的彎矩由地震組合工況控制，頂板邊支座基本組合工況下彎矩僅為地震組合工況的60%；底板邊支座和側(cè)墻邊支座兩種工況下彎矩接近；其他結(jié)構(gòu)部位地震組合工況下彎矩均小于基本組合工況。2)側(cè)墻剪力由地震組合工況控制，頂?shù)装宓募袅τ苫窘M合工況控制。側(cè)墻中支座在地震組合工況下的剪力是基本組合工況的2.5倍，側(cè)墻邊支座是1.3倍。3)頂板軸力由地震組合工況控制，地震組合工況下的頂板軸力是基本組合工況下的1.95倍。反應(yīng)位移法計(jì)算地震作用時是將土層位移差轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)荷載施加在結(jié)構(gòu)上，因此對頂板的軸力影響較大。

8 結(jié)語

1)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般情況下地震組合不起控制作用，但對于高烈度地區(qū)地震組合可能起控制作用。2)地震作用對墻體的剪力影響明顯大于對頂?shù)装宓募袅τ绊懀瑢敯遢S力的影響明顯大于對墻體和底板軸力的影響。