城市綜合管廊的地震響應(yīng)及其影響因素研究

胡天羽 馬宏偉 劉 力 汪 鵬

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001）

城市地下綜合管廊屬于淺埋地下工程，其在地震作用的下的動(dòng)力響應(yīng)區(qū)別于其他深埋結(jié)構(gòu)。在淺埋地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究方面，不少學(xué)者針對(duì)圓形、馬蹄形等形式的隧道結(jié)構(gòu)開展了研究，針對(duì)異形管廊的研究相對(duì)較少。本文運(yùn)用ANSYS 有限元軟件分析了典型四艙綜合管廊在水平地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并研究了混凝土材料、圍巖參數(shù)、結(jié)構(gòu)埋深等因素對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 工程背景

本文以安徽省某城市在建綜合管廊工程為對(duì)象。該管廊為雙層四艙矩形結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)總寬8.0m，高7.5m，凈空斷面為36m2。管廊頂?shù)装逡约白笥覀?cè)墻和中間隔墻厚均為0.5m，各構(gòu)件均采用C35 防水混凝土現(xiàn)澆而成，抗?jié)B等級(jí)P6。場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防等級(jí)為Ⅶ度，地震加速度峰值為0.10g[1]。

1.2 模型參數(shù)

本文為分析混凝土材料、圍巖參數(shù)、結(jié)構(gòu)埋深等因素對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，建立了不同參數(shù)組合下的9 組分析模型。為解決地震波在模型左右兩側(cè)及下部的反射問題，在上述三個(gè)邊界處設(shè)置二維粘彈性人工邊界條件，人工邊界采用法向和切向阻尼單元組成[2]；模型上部為自由邊界。管廊模型如圖1 所示。

圖1 管廊模型圖

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 材料參數(shù)

分析中涉及到的圍巖為典型的非線性材料，由于D-P 模型可以很好地模擬動(dòng)力作用下土體的物理力學(xué)特性，故本文采用多屈服面的D-P 模型[3]。混凝土材料按照實(shí)際所用材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行處理，模擬過程中僅需輸入器應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。計(jì)算使用的各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

1.4 地震波輸入

本文根據(jù)規(guī)范使用適合Ⅱ類場(chǎng)地的El-Centro 波作為原始地震波，地震波采樣頻率為50Hz，采樣間隔0.02s，持續(xù)時(shí)間54s，其峰值加速度為3.35m/s2。按照?qǐng)龅卦O(shè)防烈度對(duì)原始El-Centro 波進(jìn)行調(diào)整，得到的輸入地震波峰值加速度為1.96m/s2。由于El-Centro 波在前20s 釋放了主要能量，本文取調(diào)整后的El-Centro 波前20s 共計(jì)1000 組數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2 結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)特征

在實(shí)際工程場(chǎng)地和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)頂板、中板和底板的位移響應(yīng)峰值分別為60.71mm、62.01mm 和63.21mm，且出現(xiàn)的時(shí)刻均為4.48s，略晚于輸入地震波峰值時(shí)刻。計(jì)算結(jié)果表明地震作用下管廊結(jié)構(gòu)的各水平構(gòu)件位移響應(yīng)呈現(xiàn)上部小下部大的特征，同時(shí)，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)較場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)存在一定的延滯性，且管廊結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)是整體運(yùn)動(dòng)的，這與結(jié)構(gòu)橫斷面尺寸遠(yuǎn)小于地震波波長有關(guān)。

2.2 混凝土強(qiáng)度對(duì)管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

當(dāng)結(jié)構(gòu)材料依次為C25、C30、C35、C40 混凝土?xí)r，計(jì)算得到的管廊結(jié)構(gòu)的水平位移峰值均為63.21mm。可見，混凝土強(qiáng)度的改變對(duì)管廊位移的影響很小。但混凝土彈性模量隨著強(qiáng)度等級(jí)的增大而增大，在位移響應(yīng)不變的情況下，應(yīng)變響應(yīng)保持不變，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)將會(huì)增加。

2.3 土體性質(zhì)對(duì)管廊結(jié)構(gòu)水平位移響應(yīng)的影響

當(dāng)?shù)叵鹿芾戎苓呁馏w依次為雜填土、粘土和砂土?xí)r，計(jì)算得到的管廊結(jié)構(gòu)水平位移峰值分別為100.14mm、44.51mm、8.38mm。隨著周邊土體性質(zhì)的改變，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)顯著發(fā)生改變，當(dāng)土體剛度提高時(shí)，管廊水平位移峰值逐漸減小。可見土體性質(zhì)是影響管廊地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)先將結(jié)構(gòu)設(shè)置于大剛度土體中以提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.4 埋深對(duì)管廊結(jié)構(gòu)水平位移響應(yīng)的影響

當(dāng)管廊結(jié)構(gòu)埋深分別為2.5m、3.5m 時(shí)，計(jì)算得到的管廊水平位移峰值分別為64.64mm 和64.36mm。可見，隨著埋深的增加，管廊的最大水平位移逐漸減少，埋深的增加限制了管廊各部位的運(yùn)動(dòng)，從而降低了水平位移的峰值。地下綜合管廊設(shè)計(jì)時(shí)增大埋深可以有效提升結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3 結(jié)論

3.1 地震作用下地下綜合管廊結(jié)構(gòu)基本隨場(chǎng)地的運(yùn)動(dòng)發(fā)生整體運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)各處位移響應(yīng)相差較小，其中底板位移峰值最大。

3.2 管廊結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度改變對(duì)管廊結(jié)構(gòu)的地震位移響應(yīng)影響較小，埋深的增加一定程度上能限制管廊的位移，而管廊周圍土體性質(zhì)對(duì)管廊位移地震響應(yīng)的影響最大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可選取硬質(zhì)土體作管廊的埋置層。