地下綜合管廊結構抗震性影響因素分析

姚怡 王曉敏

摘要： 地下綜合管廊是在城市地下建造一個隧道空間，可以將各種市政管線敷設在管溝內將其保護起來，是一種現代化、集約化的城市生命線基礎設施。但是綜合管廊在我國的建設剛剛起步，與之相對應的各個階段的理論設計和方法研究還沒有得到很好的重視，相關結構抗震設計方面的研究與共同溝的建造速度仍然存在較大脫節，對其抗震方面的研究具有重要的理論價值和現實意義。因此通過研究地下綜合管廊結構抗震的因素，得出相應的規律和結論，為今后綜合管廊的建設和發展提供經驗和參考。

關鍵詞： 地下綜合管廊 抗震性 影響因素 管廊設計

中圖分類號： TU352.11 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0192-03

影響地下綜合管廊結構抗震性能的因素有多種，如結構埋深、土體的非均勻性、接觸面設置、邊界條件、地震波入射角度等。本文主要對結構埋深、接觸面設置、邊界條件等因素進行考察研究，總結出相應結論與規律，為今后管廊結構的設計提供參考。為方便輸出模擬結果，下面選取以下代表點作為輸出的關鍵點，如圖1 所示。

1 埋深影響分析

天然地面至共同溝頂面的天然距離稱為綜合管廊的埋深，深度越大，上部覆土層的慣性力和重力越大，從而管廊結構體在地震過程中的響應越大，同時隨著結構埋深的增加，結構兩側的土體給到的壓力也會隨著增加，對地下管廊結構的作用也顯著提升，使結構在動能作用下的變形更依賴于半無限土體自由場的變形［1］。自由場的振動也隨著埋深的變化而變化，從而引起結構自身應力應變的變化，結構慣性力的大小直接由加速度的大小所決定，土體與結構相互作用程度直接影響結構在地震作用下的動力性能，土體對結構的約束作用越強烈，則土體在地震作用下的變形對結構的動力性能影響越大，反之，當土體對結構的約束比較弱時，在地震作用下的慣性力以及加速度對結構的動力性能影響越大，因此有必要研究加速度隨結構埋深的不同而變化的規律。綜上所述，埋深是影響綜合管廊動力性能的關鍵因素，本文對1～6 m 深度的綜合管廊的加速度、接觸壓力、接觸剪力進行分析。

通過分析發現不同深度結構加速度峰值分布值可看出隨著結構的埋深增加，結構的峰值加速度和加速度放大系數逐漸減小，結構的慣性力也減小，這點與結構沿深度方向加速度變化規律是一致的，也即：深度增加，加速度值將減小，二者成反比關系，這可能是因為深層的土體剪切模量比淺層土體的剪切模量大，土質也偏硬，相對于淺層的軟土層來說，硬質土體對于加速度的放大作用更大，同時對于結構的約束作用也更強，隨即呈現出結構的加速隨深度的增加而減小的規律［2］。通過分析不同深度峰值接觸壓力以及峰值剪力值分布規律可知：結構與土體結構接觸面的壓力是隨著管廊結構埋入地下的深度的增加而變大，這也就能夠表明，隨著管廊結構的埋藏深度的增加，土體對管廊結構的約束性就越強，如果是發生地震，地下管廊結構也會更容易受到周圍土體的作用影響。

2 接觸條件影響分析

地下綜合管廊是一種淺埋的地下結構，管廊結構和土體共同構成一個相互作用的整體，因此，應該將兩者作為一個整體進行模型的建立。但是土體和結構的材質不同，在地震作用下結構可以始終保持相鄰點變形的連續性，但是土體往往會發生滑移。ABAQUS中對于法向作用將接觸壓力和間隙的關系默認為“硬接觸”，指的就是兩個物體可以通過接觸面自由傳遞壓力，當兩者分離時，接觸壓力為零或者為負數［3］。對于切向作用常采用摩擦系數表示接觸面之間摩擦特性，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所示。

圖2、圖3 比較了μ = 0，μ = 0.45，μ = ? 幾種不同接觸條件下A1 節點和A3 節點的應變幅值曲線，通過對上圖進行分析可以知道，土體與管廊結構的切向摩擦系數為0 時，管廊結構受到土體的作用影響最小，即管廊結構的應變幅值最小，當土體與管廊結構的接觸面摩擦系數逐漸變大時，管廊結構的應變幅值也隨之增大，如果土體與管廊結構的接觸面切向系數μ = ? 時，土體與結構相當于合為一體，這時的管廊結構應變幅值也是最大的，約為系數為0.45 時的1.6～2.4 倍，表明土體與結構是相互作用。

3 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，常規的邊界條件有固定邊界、無限單元、自由邊界、黏彈性邊界等。一般情況下將邊界定義為無限遠處可近似的模擬現實工程問題，但是足夠大的邊界給模型計算帶來很大的困難，計算規模、網格劃分等都將大量增加［4］。但是人為地將邊界截斷，不能反映出來無限域對于有限區域的影響，同時地震波在邊界處造成反射與散射現象，這將對結構進行二次作用，會加大結構的動力響應，存在較大的誤差。而ABAQUS 自帶的無限單元，與有限單元的區別很小，只是數據的處理函數不同，在靜力計算以及動力計算分別加衰減函數和波傳播函數，其可將模型分為遠場和近場，用有限單元對近場進行模擬，無限單元對遠場進行模擬［5］。因為結構邊界的條件對地下管廊結構的動力響應影響很大，因此選擇了管廊結構的A1 節點在3 種邊界條件（自由邊界、固定邊界、無限單元）下的應變幅值及等效力進行分析，如圖4、圖5 所示。

圖4 為A1 節點的不同邊界條件作用下的應變幅值曲線，通過分析發現固定邊界結構、無限單元邊界結構以及自由邊界結構的應變幅值及等效應力是依次減小，因此將綜合管廊的結構邊界設置為無限單元是最科學的選擇，既能避免結構設計過于保守，又能避免結構不安全［6］。通過對A1～A5 關鍵節點在不同邊界條件下反應分析可知，在自由邊界條件下的結構應變幅值相對較小，并且與其他兩種邊界條件下的結構相差較大，從而確定邊界條件在綜合管廊結構設計中的重要性是不可忽略的。

4 結語

通過分析發現，首先，隨著結構的埋深增加，管廊結構的峰值加速度和加速度放大系數會逐漸減小，這可能是因為深層的土體剪切模量比淺層土體的剪切模量大，土質也偏硬，相對于淺層的軟土層來說，硬質土體對于加速度的放大作用更大，同時對于結構的約束作用也更強，隨即呈現出結構的加速度隨深度的增加而減小的規律。但土體與管廊結構的峰值接觸壓力與峰值接觸剪力都是埋得越深數值越大，管廊結構也是隨著埋深的增加受土體的影響越大。

其次，當土體與管廊結構的切向摩擦為0 時，地下管廊結構的應變幅值與動力響應都是最小，當土體與管廊結構的切向摩擦系數逐漸增大時，結構的應變幅值與動力響應也會增大，這說明土體與管廊結構是相互作用的，如果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。

最后，固定邊界結構、無限單元邊界結構以及自由邊界結構的應變幅值及等效應力是依次變小的，因此在地下管廊結構設計時，應用無限單元邊界條件是較為科學的選擇，既能避免結構設計過于保守，又能避免結構不安全，對邊界條件的分析對地下管廊結構的抗震設計是十分重要的。

基金項目： 陜西省教育廳科研計劃項目《基于ABAQUS 的地下結構抗震性能研究》（項目編號：2020KJ-15）；陜西省教育廳一般專項科學研究計劃項目《強震作用下鋼筋混凝土結構非線性連續倒塌機理研究》（項目編號：23JK0554）

參考文獻

[1] 李仁康，姚愛軍，董磊.組合殼地下綜合管廊關鍵節點力學性能試驗研究[J]. 混凝土與水泥制品，2023（1）：39-46.

[2] 周劍敏，張琪，姬永紅.矩形波紋鋼地下綜合管廊結構抗震性能分析[J].城市道橋與防洪，2022（5）：232-236，254，27.

[3] 董正方，曹獻偉，曾繁凱，等. 隧道橫向抗震合理地震動強度指標研究[J].應用基礎與工程科學學報，2022，30（3）：776-789.

[4] 惠新楊，丁傳海. 結構形式差異對管廊抗震性能的影響分析[J]. 四川水泥，2022（3）：35-38.

[5] 劉喜坤. 地震荷載作用下大跨城市地下綜合管廊抗震性能分析[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學，2022.

[6] 苗晗. 疊合裝配式綜合管廊地震響應及抗震性能分析[D]. 石家莊：河北科技大學，2022.