裝配式混凝土箱型通道抗震響應計算分析

熊永松， 王 鵬， 周小伍

(1.荊州市公路事業發展中心，湖北 荊州 434100；2.荊州市五維公路勘察設計有限公司，湖北 荊州 434020；3.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

裝配式混凝土通道是近年來興起的一種新型結構。裝配式混凝土通道分為兩種結構型式，一種是管型通道；另一種是箱型通道。而箱型通道抗震分析目前還處于研究空白階段。因此有必要研究裝配式混凝土箱型通道抗震響應分析及抗震性能。

當前，國內外對裝配式管型通道研究較多，而對裝配式箱型通道研究較少。王建國等[1]開展了裝配式混凝土管型通道的現場試驗研究。何淳健[2]計算了裝配式混凝土管型通道的土壓力和結構內力。許慶虎[3]研究了裝配式混凝土管型通道在車輛和恒載作用下的受力特性。顏丹青等[4]建立了精確的裝配式鋼筋混凝土管型通道的有限元計算模型。

鑒于國內外對裝配式箱型通道研究較少的情況，本文采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立了箱型通道及土體的整體抗震有限元分析模型，充分考慮地震作用下通道與土體的相互作用，獲得了箱型通道在地震波作用的受力狀態和位移響應計算結果，為今后大規模應用裝配式箱型通道提供了抗震計算依據。

1 裝配式混凝土箱型通道設計

裝配式箱型通道可采用標準化設計，由頂板、側墻、底板組成。頂板、側墻通過工廠預制、現場拼接完成組裝。頂板與側墻之間的連接方式為鉸接。底板通過現澆方式完成安裝。箱型通道結構尺寸斷面圖如圖1所示，箱型通道上部的填土厚度為77 cm。

圖1 裝配式混凝土箱型通道結構尺寸圖(單位：mm)

通道洞身材料為C40抗硫酸鹽混凝土，通道下方為15 cm厚的C30混凝土墊層，混凝土墊層下方為70～120 cm厚的換填墊石層。箱型通道的鋼筋面積配筋率見表1。

表1 6 m×3.5 m通道鋼筋面積配筋率表

2 裝配式箱型通道實體有限元模型

2.1 劃分單元

根據選定的計算域進行幾何建模，并將土體劃分為地基土和回填土兩部分。土體部分選用SOLID 45單元，箱型通道選用SOLID 65單元。按照圖1的參數對幾何模型定義材料屬性，并劃分網格。

網格劃分的密集程度通常與計算結果成正比，但若網格劃分過度密集會導致計算量和計算時間大大增加，且計算精度無明顯提高[5]。考慮到計算量與計算精度，本文中的網格尺寸在X方向取0.3 m，在Y方向取0.3 m，在Z方向取0.6 m。

有限元模型及網格劃分如圖2所示。

圖2 通道有限元模型及其與土體的整體有限元模型

2.2 確定計算區域

地下結構由于其特殊性，在對其進行有限元計算時不僅要對箱形通道進行建模，還需要考慮到周圍的土體。實際工作中，不可能做到對周圍無限土體進行完全模擬，需要選擇一個合理的計算區域。如果計算域范圍選得過大，雖然可以保證計算結果更接近實際，但是會大大增加程序計算量，消耗太多的計算時間；如果計算域范圍選得過小，會使得計算結果偏離實際。產生較大誤差。

基于以上理由，取30 m為計算區域寬度，地基土深度為8 m，通道頂回填土深度為0.77 m。選擇一節箱型通道進行計算，計算域長度取3 m。

2.3 建立接觸對

通道處在地下，被土體包圍，周圍土體不只是外荷載，還對通道在地震作用下產生的變形有約束作用，因此需要考慮土體和通道之間的相互作用。通過在接觸面上建立接觸單元來達到這一目的[6]。本文選用三維面-面接觸單元(CONTAC 173單元和TARGET 170單元)對其進行模擬。

由于混凝土材料的剛度遠大于周圍土體材料的剛度，故選擇土體邊界面為接觸面，通道外側邊界面為目標面，分別在兩邊界面上設置CONTAC 173單元和TARGET 170單元，并通過編號控制形成接觸對[7]。

圖3 目標單元TARGET 170和接觸單元CONTAC 173

2.4 約束條件

地基土體底部邊界設置固定約束，約束各個方向的位移和轉角。左右兩側邊界上設置固定約束。前后邊界面上約束Z方向的自由度。填土的頂面及通道的內表面按自由邊界處理。

3 裝配式箱型通道地震響應分析

本次抗震分析采用通用有限元分析軟件ANSYS，計算方法選擇動力時程分析法。首先對土體-結構體系進行建模，處理好通道與土體的接觸以及頂板與側墻的接觸，然后確定合適的邊界條件，選擇適當的地震波數據，最后計算整個體系在選定地震波作用下的動力響應。

3.1 地震波的選擇

在用時程分析法對結構進行抗震分析時，所得到的計算結果不僅與結構的動力特性、彈塑性變形性質、變形能力有關，很大程度上還取決于輸入地震波的特性(幅值大小、頻譜特性、持續時間等)[8]。對于同一個結構，選擇不同的地震波數據，可能會使計算結果產生較大的偏差[9]。

根據《公路工程抗震規范》(JTG B02-2013)[10]第3.2.1和3.2.2條，本次計算的裝配式箱型通道屬于高速公路的工程構筑物，擬建工程所在區地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，對應的抗震設防烈度為Ⅵ度，場地類別為Ⅱ類。因此建筑物所在地為建設的一般場地，屬于一般工程，其抗震設防目標應為：建筑物在E1地震作用下[11]經一般整修或短期搶修即可恢復正常使用，抗震重要性修正系數Ci取1.3。

3.2 裝配式箱型通道地震響應結果

對于6 m×3.5 m通道，根據《公路工程抗震規范》(JTG B02-2013)第3.4.1條，采用永久作用+地震作用組合，包括結構重力、土壓力、結構地震響應和地震土壓力等，通過疊加獲得通道的橫向位移與橫向應力。取通道頂板跨中、底板跨中、鉸縫上圓弧、鉸縫下圓弧、頂板與側板的交界、底板與側板的交界共12個關鍵點來觀測橫向位移與橫向應力。所取的12個點位置如圖4所示。6 m×3.5 m通道在地震和重力共同作用下12個觀測點的最大橫向位移和最大橫向應力見表2。

圖4 應力與位移觀測點位置

表2 6 m×3.5 m通道最大橫向位移和最大橫向應力

在永久作用和地震作用組合下，6 m×3.5 m通道頂板橫向位移峰值為20.9 mm，底板橫向位移峰值為15.4 mm，左墻鉸縫處橫向位移峰值為18.9 mm，右墻鉸縫處橫向位移峰值為18.4 mm，左墻鉸縫上下圓弧橫向相對位移為1.19 mm，右墻鉸縫上下圓弧橫向相對位移為1.53 mm。以上說明頂板和側墻的整體性較好，變形基本一致。而且，在鉸縫處頂板和側墻之間的相對位移很小，在地震作用下接觸良好，頂板不會發生從側墻落下的震害。

進一步對各節點的水平方向位移時程曲線進行對比分析可以發現：12個節點處的水平方向位移時程曲線重合性較好，這說明箱型通道具有剛度較大、整體性較好的優點。由于周圍土體的約束作用，箱形通道在地震作用下的位移基本呈現整體協調運動，各節點處的水平方向位移趨勢和位移峰值基本相同，差異較小。

對各節點橫向應力時程曲線進行比較，可以看出頂板跨中處的拉應力最大，為0.27 MPa，頂板與側墻交界處的壓應力最大，為1.51 MPa，均遠小于混凝土的抗拉和抗壓強度，結構地震安全性良好。

4 結 論

(1)箱型通道各關鍵節點在地震作用下的最大橫向絕對位移為15～20 mm；底板和側墻之間接縫位置處的最大橫向相對位移為2 mm左右，說明頂板和側墻的整體性較好，變形基本一致。而且，在鉸縫處頂板和側墻之間的相對位移很小，在地震作用下通道結構與土體接觸良好，頂板不會發生從側墻落下的震害。

(2)箱型通道在E1地震作用時各節點處的水平方向位移時程曲線重合性較好，表明箱型通道具有剛度較大，整體性較好的優點。

(3)箱型通道頂板跨中處的拉應力最大，為0.3 MPa左右；頂板與側墻交界處的壓應力最大，為1.5 MPa左右，表明箱型通道在E1地震作用下結構處于彈性狀態，能夠滿足經一般整修可正常使用的抗震設防目標。