劉 營，李彩霞

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

預制拼裝技術(shù)因其具有施工速度快、工程質(zhì)量控制好、對周邊環(huán)境影響小，符合

綠色環(huán)保要求的特點，因而在橋梁、隧道、房建以及地下結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛應用，是近幾年來國家大力推廣的新技術(shù)。綜合管廊就是地下城市管道走廊，可以有效解決城市交通擁堵問題，有利于保障城市安全，完善城市功能，美化城市景觀，促進城市集約高效和轉(zhuǎn)型發(fā)展，提高城市綜合承載力，增加公共產(chǎn)品有效投資，拉動社會資本投入，打造經(jīng)濟發(fā)展新動力[1]。

目前，我國城市地下綜合管廊建設已逐步進入高速發(fā)展時期，在城市綜合管廊工程的規(guī)劃設計、施工建設與運維過程中，預制裝配式和智慧型管廊建設是我國綜合管廊建設領域技術(shù)進步的發(fā)展趨勢。本文以廣西境內(nèi)首個預制拼裝綜合管廊為背景，對預制裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)的動力特性展開有關研究。

1 工程背景

某綜合管廊工程設計起終點樁號為K11+300～K12+900，長度為1.6 km，規(guī)劃為干線綜合管廊。采用兩艙斷面，斷面凈尺寸B×h=綜合艙3.9 m×3 m+電力艙2.6 m×3 m。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，地基基礎按照乙級進行設計；按照乙類建筑物進行抗震設計，抗震等級三級；防水等級為二級，混凝土抗?jié)B等級P8。節(jié)點部分采用現(xiàn)澆方法施工，標準段采用預制拼裝方法施工，標準段總長約1.034 km。預制節(jié)段長1.5 m，節(jié)段之間采用預應力鋼絞線連接(見圖1～2)。為便于下文進行有關論述，統(tǒng)一規(guī)定，沿著預制管廊長度方向為縱向(X軸)，管廊橫截面水平向為橫向(Y軸)，重力所在方向為豎向(Z軸)。

圖1 綜合管廊斷面布置圖(單位：mm)

圖2 預制管廊接頭構(gòu)造圖(單位：mm)

2 土-結(jié)構(gòu)相互作用模型

Winkler彈性地基梁模型是一個主要的樁-土-結(jié)構(gòu)動力計算分析模型，在當前研究中被廣泛應用。我國城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范中第6.6中規(guī)定：隧道與地下車站結(jié)構(gòu)橫向地震反應位移法進行計算時，可將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)可采用梁單元進行建模[2]。

結(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)計算時(見圖3)：地基彈簧剛度可按照式計算：k=KLd；式中：k為壓縮或剪切地基彈簧剛度(N/m)；K為基床系數(shù)(N/m3)；L為垂直于結(jié)構(gòu)橫向額計算長度(m)；d為土層沿結(jié)構(gòu)縱向計算長度(m)。

圖3 矩形結(jié)構(gòu)反應位移法橫向計算示意圖

結(jié)構(gòu)縱向結(jié)構(gòu)計算時(見圖4)：地基彈簧剛度可按照下式計算，式中：kt為沿結(jié)構(gòu)縱向側(cè)壁剪切地基彈簧剛度；kl為沿結(jié)構(gòu)縱向側(cè)壁抗壓地基彈簧剛度；k為壓縮或剪切地基彈簧剛度(N/m)；其余參數(shù)同橫向地基彈簧剛度計算公式：

圖4 結(jié)構(gòu)反應位移法縱向計算示意圖

根據(jù)地勘資料，場地內(nèi)巖土層主要為填土、淤泥、第四系殘積相的紅黏土、黏土、粉質(zhì)黏土及古近系粉質(zhì)泥巖、砂巖、石炭系灰?guī)r、砂巖等。地基基床系數(shù)取值見地基與基礎(顧曉魯)[3]見表1。

表1 基床系數(shù)K值表

本文結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析中采用城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范中地基彈簧計算方法，地基基床系數(shù)取值覆蓋黏性土、黏土、砂土、礫石等地質(zhì)情況，其中管廊縱向計算長度取1.5 m，管廊橫向平均寬度為7.7 m，管廊高度為3.8 m。得到不同土質(zhì)類型下土彈簧剛度參考取值，見表2。

表2 不同地基類型下土彈簧參考取值表

3 管廊接頭剛度模型

節(jié)段預制綜合管廊的連接方式主要有承插式接頭、螺栓連接和預應力筋連接[4]。陳智強[5]基于內(nèi)力平衡和變形協(xié)調(diào)條件，提出了包含抗彎剛度計算模型和抗彎承載力計算模型的接頭設計計算方法。胡翔[6]通過接頭和整體結(jié)構(gòu)足尺模型對采用預應力筋連接的綜合管廊進行單調(diào)靜力試驗研究。張厚美[7]將接頭襯墊和連接螺栓抽象成彈簧，推導了接頭剛度的簡化計算公式。本文得到的接頭剛度計算模型，基于以下假定：(1)接縫處轉(zhuǎn)動時滿足平截面假設；(2)整個計算中彈性橡膠墊均未出現(xiàn)拉應變；(3)只考慮頂板底板或兩側(cè)墻橡膠墊剛度。推導出基于梁單元假設的接頭剛度計算模型，見圖5。

圖5 預制管廊接頭結(jié)構(gòu)分析模型示意圖

由于轉(zhuǎn)動角度較小，取θ≈tanθ，首先根據(jù)預應力張拉值，推導出彈性橡膠墊初始變形，然后由平截面假定推導出彎矩作用下預應力鋼絞線和彈性橡膠墊的幾何變形，進而根據(jù)幾何方程、物理方程求得預應力鋼筋拉力和彈性橡膠墊壓力，最后由截面力學平衡方程可以求得接頭剛度理論計算公式。

表3 接頭剛度參考取值表

由接頭剛度計算公式求得本工程接頭橫向轉(zhuǎn)動剛度為8.29×108N/m，豎向轉(zhuǎn)動剛度為1.12×109N/m，由上述公式計算得到的接頭剛度為理論計算公式，與實際狀況存在一定誤差，設置接頭類型C1及接頭類型C3，見表3。

4 有限元模態(tài)分析

4.1 有限元模型和分析工況

節(jié)段預制管廊模擬為梁單元，節(jié)段之間通過link單元連接，假設節(jié)段之間只發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。預制拼裝段與節(jié)點現(xiàn)澆位置處，通常設置沉降縫，忽略預制管廊兩端約束。選取200 m預制拼裝標準段建立SAP2000有限元分析模型，模型中共396個節(jié)點，264個框架單元，131個link單元，見圖6。

圖6 預制管廊梁單元分析模型圖

根據(jù)地基類型和接頭類型不同，設置5個分析工況(見表4)。其中工況2-1表示：橫向地基土剛度1.14×105N/m，縱向剪切剛度3.80×104N/m，豎向剛度2.31×105N/m；接頭繞橫向轉(zhuǎn)動剛度4.15×108N/m，繞豎向轉(zhuǎn)動剛度5.60×108N/m，其余工況參數(shù)取值類推。

表4 模態(tài)分析工況表

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

由本文所選工程接頭剛度為繞橫向轉(zhuǎn)動剛度8.29×108N/m，繞豎向轉(zhuǎn)動剛度1.12×109N/m也即C2類型，模型段管廊周圍土體為可塑紅黏土，基床系數(shù)為2000，即B2類型。模態(tài)對比分析中以工況2-2為參考基準，分析工況2-1、工況2-3、工況1-2、工況3-2，得到各自工況下前十階振動頻率，見表5和表6。

表5 不同接頭剛度下結(jié)構(gòu)自振圓頻率表(Hz)

由表5中可以看出：在不考慮地基土質(zhì)類型影響時，節(jié)段預制管廊接頭連接剛度的變化會引起整個結(jié)構(gòu)的自振頻率和振動模態(tài)的變化。具體表現(xiàn)為：(1)由于管廊縱向剪切剛度較小，第一階陣型模態(tài)以縱向整體漂移；(2)管廊土彈簧橫向剛度較豎向剛度小，管廊更容易產(chǎn)生橫向整體振動；(3)就管廊結(jié)構(gòu)本身而言，其繞豎向的轉(zhuǎn)動剛度較繞橫向轉(zhuǎn)動剛度大，而模態(tài)分析結(jié)果表明，管廊整體結(jié)構(gòu)卻優(yōu)先橫向的振動模態(tài)，這主要是受預制管廊周圍土體的影響。可見模態(tài)分析中，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用影響會顯著改變結(jié)構(gòu)振動特性，從而在動力學分析中顯現(xiàn)出較大差異。

表6 不同土質(zhì)類別下結(jié)構(gòu)自振圓頻率表(Hz)

由表6中可以看出：在不考慮節(jié)段接頭剛度影響下，管廊周圍土質(zhì)類別對管廊結(jié)構(gòu)振動特性產(chǎn)生顯著影響。相同的陣型特點下，隨著地基彈簧剛度的增大，結(jié)構(gòu)自振頻率也不斷增大。

為分析地基土質(zhì)類型和接頭剛度取值對節(jié)段預制管廊結(jié)構(gòu)主要頻率的影響，分別繪制兩種變量情況下的影響規(guī)律。從圖7(a)中可以看出：在一定接頭剛度范圍內(nèi)，不同接頭剛度對預制管廊結(jié)構(gòu)主要陣型(縱向漂移、橫向漂移、一階橫向振動、豎向漂移以及一階豎向漂移的對應頻率分別為：0.7 Hz、1.2 Hz、1.2 Hz、1.6 Hz、1.6 Hz)影響很小；從圖7(b)中可以看出：在一定地基彈簧剛度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)主要頻率隨著地基土彈簧剛度增大而增大，主要陣型對土質(zhì)類別較敏感，在計算中應該著重考慮。

(a)不同接頭剛度

(b)不同地基類型圖7 主要頻率比較圖

5 結(jié)語

通過本文分析可以得到以下結(jié)論：

(1)模態(tài)分析中將節(jié)段拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)簡化為梁單元模型計算效率較高。

(2)基于平截面假定的節(jié)段預制綜合管廊接頭力學特性的模擬分析中力學概念清晰，可在一定范圍內(nèi)采用得到結(jié)構(gòu)理論剛度計算公式。

(3)相同的陣型特點下，隨著地基彈簧剛度的增大，結(jié)構(gòu)自振頻率也不斷增大，自振周期變小。

(4)一定接頭剛度范圍內(nèi)，不同接頭剛度對預制管廊結(jié)構(gòu)縱向漂移、橫向漂移、一階橫向振動、豎向漂移以及一階豎向漂移等主要陣型影響很??；一定地基彈簧剛度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)主要頻率隨著地基土彈簧剛度增大而增大，主要陣型對土質(zhì)類別較敏感，在計算中應該著重考慮。