地下綜合管廊結構體系抗震性能分析

王曉敏

【摘? 要】論文以南京上坊潤麒路綜合管廊為工程背景，利用ABAQUS進行三維有限元模型的建立，對結構埋深、接觸面設置、邊界條件等不同影響因素對結構的動力響應影響規律進行分析。

【Abstract】Taking the utility tunnel in Runqi Road， Shangfang Town， Nanjing City as the engineering background， this paper uses ABAQUS to establish a three-dimensional finite element model， and analyzes the influence law of different influencing factors such as the burial depth of the structure， contact surface settings， and boundary conditions on the dynamic response of the structure.

【關鍵詞】綜合管廊;地震響應;影響因素;邊界條件

【Keywords】utility tunnel; seismic response; influencing factors; boundary conditions

【中圖分類號】TU984.11+6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0177-02

1 工程概況

本文以南京上坊潤麒路綜合管廊為工程背景，潤麒路綜合管廊位于新建道路中央分隔帶或道路外綠化帶內，建設場地拆遷完成后較為空曠。持力層主要以粉質黏土為持力層，土層地基承載力特征值均較高，無需處理可直接作為基礎持力層。

2 地震波選取及模型建立

2.1 地震波選取

根據本工程巖土工程勘察報告，管廊結構所在的場地類別為二類，設計地震第一組，地震動峰值加速度值為0.2g，相當于地震基本烈度8度，地震動反應譜特征周期為0.35s。根據地震波選用基本原則，結合本文所涉及的實際工程巖土勘察報告，本文選擇典型的el-centro波作為地震輸入，由于每條地震波的加速度峰值均在前10s的范圍內，所以本文截取前10s時間段的加速度曲線進行結構動力學分析。

2.2 模型建立

本文為消除地震波在人工邊界處的散射效應，采用了無限元人工邊界，在保證無限元區域的反應為彈性的情況下，整個模型的尺寸比邊界遠置情況大為減小，本文的管廊結構體截面尺寸為4.1m×3.5m，本模型中地下綜合管廊結構體兩側土體和下部土體各延伸20m，總的計算模型寬度方向為44.1m，管廊埋深2m，則總的高度方向為25.5m，縱向長度方向取50m。

計算模型中計算區域的土體選擇C3D8I（三維八節點實體單元），無限元區域土體采用CIN3D8（三維八節點一階無限單元）模擬，管廊結構主體選擇S4R四節點殼單元模擬，鋼筋網選用T3D2（三維桁架單元）模擬。綜合管廊與周圍土體之間的接觸采用ABAQUS自帶General Contact，切向采用庫倫模型，摩擦系數根據Randolph和Worth建議的樁-土相互作用摩擦角算法，取u=0.3，法向采用硬接觸。本文按照上述要求通過ABAQUS建立三維有限元模型（共85617個單元，90779個節點），劃分網格后的管廊模型關鍵點如圖1所示。

3 影響因素分析

3.1 接觸面影響分析

土體和結構是兩種完全不同性質的材料，地震作用下二者在接觸面處的變形完全不同于相同連續的介質所發生的變形問題，后者可以始終保持相鄰點變形的連續性，而前者往往不能滿足這一條件，特別是在強震作用下容易發生脫開與滑移。ABAQUS中的接觸壓力和間隙的默認關系是“硬接觸”，即當互相接觸的兩個面之間傳遞接觸壓力的大小不受限制，當接觸面之間呈分離狀態，接觸壓力為零或者負值，相應節點的接觸約束被去掉。對于切向作用常采用摩擦系數表示接觸面之間摩擦特性，本文就針對不同摩擦系數對結構地震作用下的響應規律進行研究分析，不同接觸面條件下結構應變時程如圖2和圖3所示。

由圖2、3可以看出：當不考慮土體與結構之間的相互摩擦，結構的應變幅值最小，結構的動力響應明顯偏小，當土體與結構之間的相對滑移為零時，結構的應變幅值將會明顯增大，在μ=∞時，結構應變幅值達到最大，相比摩擦系數為μ=0.45增大幅度可達1.6～2.4倍，表明土體跟結構之間的相互作用。表1更清楚地列出了A1至A5個各關鍵節點的應變幅值，從表內數據可以看出結構的應變幅值均在μ=∞時取得最大值，表明不考慮結構與土體接觸面之間的相對滑移將增大結構的動力響應。

3.2 邊界條件影響分析

人工邊界條件是結構動力反應的關鍵因素，本文就自由邊界、固定邊界、無限單元幾種不同的邊界條件進行分析并得出相應結論，A1節點在不同邊界條件下結構應變幅值以及等效應力如圖4和圖5所示，關鍵節點不同邊界條件下結構應變幅值及等效應力如表2所示。

由圖4可知，固定邊界結構的應變幅值及等效應力最大，無限單元邊界次之，自由邊界最小，也即若將結構邊界設置自由邊界，結構的地震響應明顯偏小，設計是偏于不安全的狀態，若設置為固定邊界，結構的反應明顯偏大，設計又偏于保守，所以在結構設計對邊界條件進行設置時，將其設置為無限單元是較為理想的狀態。由表2可知，自由邊界條件下結構的應變幅值明顯較小，在同一節點處，固定邊界和自由邊界相比，應變幅值計算結果增大了1.8～3.3倍，等效應力計算結果增大1.4～2.9倍，由此可以看出，邊界條件在有限元分析中對結構抗震設計的影響是不可忽略的。

4 結論

本文主要分析結構在埋深、接觸面設置、邊界條件等不同影響因素作用下結構的動力響應規律，主要得到以下結論：

①隨著埋深的增加，綜合管廊的峰值加速度和加速度放大系數也隨埋深的增加而減少。接觸面的峰值接觸壓力與峰值接觸剪力隨埋深的增加而增加，這同時也反映了隨著埋深的增加，土體對于結構的約束增加，在地震作用下，結構更容易受到周圍土體作用的影響。

②當不考慮土體與結構之間的相互摩擦，也即切向摩擦系數為0時，結構的應變幅值最小，結構的動力響應明顯偏小，接觸面在μ=∞時，結構應變幅值達到最大，也即當土體與結構之間的相對滑移為零時，結構的應變幅值將會明顯增大，表明不考慮結構與土體接觸面之間的相對滑移將增大結構的動力響應。

③固定邊界結構的應變幅值及等效應力最大，無限單元次之，自由邊界最小，也即若將結構邊界設置自由邊界，結構的地震響應明顯偏小，設計是偏于不安全的狀態，若設置為固定邊界，結構的反應明顯偏大，設計又偏于保守。因此，在結構設計中對邊界條件進行設置時，將其設置為無限單元是較為理想的狀態。

【參考文獻】

【1】陳曉強，錢七虎.我國城市地下空間綜合管理的探討[J].地下空間與工程學報，2010，6（4）：666-671.

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