預制裝配式箱涵結構地震響應影響因素分析

王 濤，李寧寧，趙旭東，于佳月，石建軍，康玉梅

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司 西安市 710032； 2.東北大學 資源與土木工程學院 沈陽市 110819)

隨著國家大力發展基礎設施建設，管廊、涵洞等地下工程逐年增多。涵洞大多為埋置在填土下方的結構[1]，分為箱涵、蓋板涵和管涵三種形式[2]。預制裝配式箱涵因具有施工速度快、質量易于控制、節省材料等優勢，已廣泛應用于高速公路建設[3-5]。結構抗震的研究通常采用模型試驗[6]、原型觀測[7]以及數值模擬[8]三種方式，在涵洞結構抗震性能方面，很多學者進行了大量的研究。如張運良[9-10]結合實際工程，利用數值模擬研究了箱涵體系的抗震性能及其穩定性；劉世強[11]通過建立波紋鋼涵洞的有限元模型，分析了其在地震作用以及車輛荷載作用下的內力與位移變化；唐垠斐等[12]通過建立波紋鋼涵洞的有限元模型，研究了其在不同土體高度下的受力情況以及在地震作用下的動力響應。箱涵在地震作用下是一個動態過程，結構特性、場地條件、地震動特性以及埋深等都會影響到箱涵的地震響應，單一地根據土體或箱涵在地震中的變形來進行抗震設計是不準確的。依托吉林省白城市“大慶至廣州高速公路雙遼至嫩江聯絡線雙遼至洮南段03A設計段”預制裝配式箱涵項目，考慮箱涵不同埋深、地震動特性和頂板伸出長度三種因素，利用有限元軟件ABAQUS對裝配式箱涵結構地震響應的影響進行分析。

1 計算模型

1.1 工程概況

“03A設計段”線路全長25.702km，其中涵洞22道(含互通2道)，采用裝配式鋼筋混凝土箱型涵洞，有XTI-2×1.5、XTI-3×2.2和XTI-4×3三種形式。以XTI-4×3四構件組合結構為例，由頂板、底板和兩側墻組成，側墻與全現澆混凝土底板連接，頂板與側墻兩接頭鉸接(圖1)。

1.2 參數選取

依據該項目地質勘查報告，計算參數的選取如表1所示，這里假定各土層沿深度方向均勻分布。

為了考慮裝配式箱涵中鋼筋的作用，采用鋼筋混凝土的等效彈性模量和容重來表示[13]。本工程混凝土強度等級為C40，密度為ρc=2500kg/m3，彈性模量為Ec=3.25×1010N/m2，泊松比為μc=0.2；鋼筋采用HRB400級鋼筋，密度為ρs=7850kg/m3，彈性模量為Es=2.0×1011N/m2，泊松比為μs=0.3。經計算，裝配式箱涵等效密度為ρcs=2569kg/m3，等效彈性模量為Ecs=3.46×1010N/m2。

表1 土層基本參數

吉林省白城市的抗震烈度為7度，設計地震分組為第一組，地震加速度為0.1g。場地類別為二類，特征周期0.35s，罕遇地震下特征周期加0.05s。選取地震波為水平向EL-CENTRO波，時間間隔0.02s，峰值加速度0.3417g。地震波加載時間長度取20s，調整后的峰值為0.22g。

1.3 有限元模型

忽略涵洞的縱向影響，箱涵結構采用四節點平面應變全積分單元CPE4，土體采用四節點平面應變縮減積分單元CPE4R。在模擬土體與箱涵結構間的動力相互作用時，需考慮兩者之間的摩擦接觸，定義土體與箱涵結構之間接觸表面的力學性能，建立方程，采用接觸算法進行計算。其中土體與箱涵之間的法向接觸選擇“硬”接觸，切向接觸服從Coulomb定理，當接觸面上剪應力大于摩擦力時，相對于箱涵，土體會產生切向滑動。建模時，土體的計算范圍為長50m、寬30m，是結構尺寸的5～7倍，滿足要求。建立粘彈性人工邊界如圖2所示。

混凝土阻尼比取0.05，進行模態分析，進而求得混凝土的阻尼系數α=0.3996，β=0.00583。

2 裝配式箱涵地震響應影響因素分析

2.1 不同埋深

建立埋深分別為3m、4.5m、6m和7.5m的土體和箱涵結構有限元模型，測點位置見圖3。

圖4和圖5分別給出了不同埋深箱涵結構測點的水平相對位移和豎向相對位移。埋深增大，箱涵水平相對位移和豎向相對位移也隨之增大。頂板的豎向相對位移呈近似對稱分布，先升高后降低，其中測點C的豎向位移增幅較大。可見，埋深對頂板中部的豎向位移有較大的影響。圖6為不同埋深箱涵各測點的最大主應力。隨著埋深的增加，各測點的最大主應力逐漸增大，箱涵應力集中部位變化較為顯著。

2.2 不同地震動峰值

將地震動峰值等比例縮放至0.10g、0.22g、0.30g和0.40g，進行動力響應分析。測點位置同圖3。

圖7和圖8給出了不同地震動峰值下測點的水平相對位移和豎向相對位移變化規律。隨著峰值的增加，各測點的水平相對位移逐漸增大。地震動峰值從0.1g增至0.4g，測點的水平相對位移越來越大，而頂板豎向相對位移受地震動峰值的影響很小。豎向變形主要出現在頂板中部，隨著地震動峰值的提高，豎向位移變化較小，幾乎不變。圖9反映出不同工況下箱涵結構的應力變化情況，應力集中部位大致相同，即頂板中部、頂板兩側角部以及側墻內側角部，最大主應力隨地震動峰值的增加而增大。

2.3 不同箱涵頂板伸出長度

頂板伸出長度取100cm、105cm、110cm、115cm和120cm，等距取10個測點，如圖10所示。

圖11和圖12給出了不同頂板伸出長度各測點水平位移和豎向位移變化規律。隨頂板伸出長度的增加，側墻的水平位移不斷減少。當頂板伸出長度在110～115cm之間時，水平位移和豎向位移下降幅度均較大，抗震性能較好。提取各個測點的應力值，箱涵的最大主應力發展趨勢如圖13所示。隨著頂板伸出長度的增大，各個測點最大主應力減小；頂板伸出長度在110～115cm時，應力變化幅度較大，抗震性能較好。

3 結論

主要研究了不同埋深、地震動峰值特性和頂板伸出長度對裝配式箱涵結構地震響應的影響，結論如下：

(1)地震作用下裝配式鋼筋混凝土箱涵結構的水平相對位移隨埋深增加而增大，地震作用主要對頂板中部的豎向相對位移有較大影響，最大主應力在3～7.5m的埋深范圍內，增幅較大。

(2)隨著地震動峰值的提高，最大主應力集中在頂板中部、頂板兩側角部和側墻內側角部，隨著測點高度的增加，其水平相對位移增加幅度較大，但箱涵頂板豎向相對位移改變較小。

(3)頂板伸出長度越大，箱涵水平位移、豎向位移和最大主應力越小，當頂板伸出長度在110～115cm時，箱涵水平相對位移、豎向相對位移和最大主應力的下降幅度最大。