張博華，呂寶偉

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

地下綜合管廊交叉口節(jié)點(diǎn)地震動(dòng)力響應(yīng)特性研究＊

張博華，呂寶偉

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

對(duì)處于高烈度地震區(qū)的地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究日漸受到人們的重視，而地下綜合管廊作為淺埋地下結(jié)構(gòu)，其地震動(dòng)力作用更為顯著。以包頭地下綜合管廊建設(shè)為背景，采用MIDAS GTS NΧ大型有限元軟件，對(duì)地下綜合管廊交叉口節(jié)點(diǎn)建立三維有限元模型，采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法研究地下綜合管廊交叉口在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，著重分析了交叉口節(jié)點(diǎn)在地震動(dòng)力作用下的層間位移角響應(yīng)及結(jié)構(gòu)的受力變化規(guī)律，研究成果可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

綜合管廊；交叉口節(jié)點(diǎn)；動(dòng)力響應(yīng)；層間位移角

地下綜合管廊是以矩形、圓形為主的狹長線型結(jié)構(gòu)，但為滿足管線出入、吊裝、通風(fēng)、逃生等功能要求，需增加相應(yīng)的功能節(jié)點(diǎn)。地下綜合管廊作為城市生命線工程，規(guī)范[1]規(guī)定管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，應(yīng)按乙類建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。曹守金等[2]對(duì)管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面采用反應(yīng)位移法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了研究；岳慶霞等[3]針對(duì)管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面采用時(shí)程分析法研究了動(dòng)力邊界、結(jié)構(gòu)與土相互作用、行波效應(yīng)等地震動(dòng)力計(jì)算中的問題；劉述虹[4]研究了8條不同頻譜特性的地震波作用下，地下綜合管廊的地震動(dòng)力響應(yīng)；史曉軍等[5]采用振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究了地下綜合管廊的動(dòng)力響應(yīng)。目前，針對(duì)地下綜合管廊地震響應(yīng)的研究主要是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面，而對(duì)于管廊交叉口節(jié)點(diǎn)的地震動(dòng)力特性研究，還未見有公開文獻(xiàn)對(duì)其研究。本文針對(duì)地下綜合管廊交叉口節(jié)點(diǎn)的地震動(dòng)力響應(yīng)特性展開研究，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 交叉口節(jié)點(diǎn)工程概況

本文所研究管廊交叉口節(jié)點(diǎn)為四通節(jié)點(diǎn)，位于建設(shè)路與文明路交叉口處，2條道路上的管廊標(biāo)準(zhǔn)段面及尺寸見圖1、圖2.交叉口處文明路沿線管廊位于上部，覆土深度1.6 m。

包頭位于高烈度地震區(qū)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，動(dòng)力計(jì)算采用地震安全評(píng)估報(bào)告提供的50年超越概率2%的罕遇地震下的加速度時(shí)程曲線，如圖3所示。

2 地震時(shí)程分析

2.1 計(jì)算模型

在地震作用下，管廊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。為正確模擬地震動(dòng)在土層中的傳播，避免波動(dòng)在邊界的反射對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾，本文采用自由場人工邊界模擬無限土體對(duì)波動(dòng)的吸收效果。

為減小人工邊界對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，側(cè)面人工邊界距結(jié)構(gòu)的距離取4倍的結(jié)構(gòu)寬度，底部人工邊界取至設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面，距結(jié)構(gòu)的距離為3倍的結(jié)構(gòu)高度，模型上部邊界取至自由地面，模型尺寸為126 m×117 m×38.1 m。土體采用實(shí)體單元，管廊結(jié)構(gòu)采用板單元，梁柱采用梁單元，單元共計(jì)92 197個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為95 025個(gè)，計(jì)算模型如圖4所示。

圖1 建設(shè)路管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：cm）

圖2 文明路管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：cm）

圖3 加速度時(shí)程曲線

圖4 交叉口節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型

表1 巖土及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 材料參數(shù)

交叉口節(jié)點(diǎn)處地層上部地層為沖洪積沉積物，中部為湖積沉積物，下部為沖洪積沉積物，底部為風(fēng)化基巖，計(jì)算模型范圍內(nèi)共有10層土。本文計(jì)算的土體采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulomb），結(jié)構(gòu)采用彈性模型（Elastic），計(jì)算范圍內(nèi)的土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 位移響應(yīng)分析

地下綜合管廊結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，不同埋深處結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)不同，不同結(jié)構(gòu)層的相對(duì)位移時(shí)程曲線如圖5、圖6所示。頂板和中板的最大相對(duì)位移為3.04 mm，最大層間位移角為1/1 316；中板、底板的最大相對(duì)位移為0.92 mm，最大層間位移角為1/5 108；頂板和底板的最大相對(duì)位移為3.96 mm，最大層間位移角為1/2 197.由此可知，管廊結(jié)構(gòu)還處于彈性工作范圍，滿足規(guī)范規(guī)定的性能Ⅱ要求。

圖5 頂板和中板相對(duì)位移時(shí)程曲線

圖6 中板和底板相對(duì)位移時(shí)程曲線

2.3.2 整體應(yīng)力響應(yīng)分析

地下綜合管廊結(jié)構(gòu)交叉口節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力分布如圖7、圖8所示。結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力出現(xiàn)在交叉口節(jié)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)段連接處的角點(diǎn)，該部位在地震荷載作用下呈現(xiàn)反復(fù)的拉壓循環(huán)，是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位。

圖7 最大主應(yīng)力云圖（kPa）

圖8 最小主應(yīng)力云圖（kPa）

3 結(jié)論

本文通過對(duì)管廊交叉口節(jié)點(diǎn)的三維時(shí)程分析，探討了管廊交叉節(jié)點(diǎn)的地震動(dòng)力特性，得出以下結(jié)論：①本文所研究的管廊交叉口在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)整體處于線性變形范圍，層間位移角處于規(guī)范限制內(nèi)，滿足性能Ⅱ的要求；②在地震作用下，交叉口節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)段連接處的角點(diǎn)處反復(fù)處于拉壓受力狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，應(yīng)加強(qiáng)該部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③管廊交叉口等節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯，抗震設(shè)計(jì)時(shí)建議采用三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)；④限于篇幅，本文僅針對(duì)四通管廊交叉口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，今后有必要針對(duì)三通節(jié)點(diǎn)及綜合管廊的其他功能節(jié)點(diǎn)開展這方面的研究。

［1］上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司.GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京，中國計(jì)劃出版社，2015.

［2］曹守金，單彬彬.用反應(yīng)位移法進(jìn)行綜合管廊地震反應(yīng)分析［J］.市政技術(shù)，2017（03）：80-82.

［3］岳慶霞，李杰.地下綜合管廊地震響應(yīng)研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（3）：285-290.

［4］劉述虹.典型綜合管廊體系地震響應(yīng)分析［D］.哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所，2016.

［5］史曉軍，陳雋，李杰.地下綜合管廊大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2008，28（6）：116-123.

TU990.3；TU311.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.008

2095－6835（2017）21－0008－03

鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技開發(fā)課題“城市地下綜合管廊關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：721660）

張博華（1989—），男，四川綿陽人，助理工程師，從事隧道及地下結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)研究。

〔編輯：劉曉芳〕