劉 營(yíng),李彩霞
(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530011)
預(yù)制拼裝技術(shù)因其具有施工速度快、工程質(zhì)量控制好、對(duì)周邊環(huán)境影響小,符合
綠色環(huán)保要求的特點(diǎn),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(yīng)用,是近幾年來國(guó)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(jìn)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(dòng)社會(huì)資本投入,打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)力[1]。
目前,我國(guó)城市地下綜合管廊建設(shè)已逐步進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,在城市綜合管廊工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)與運(yùn)維過程中,預(yù)制裝配式和智慧型管廊建設(shè)是我國(guó)綜合管廊建設(shè)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展趨勢(shì)。本文以廣西境內(nèi)首個(gè)預(yù)制拼裝綜合管廊為背景,對(duì)預(yù)制裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性展開有關(guān)研究。
某綜合管廊工程設(shè)計(jì)起終點(diǎn)樁號(hào)為K11+300~K12+900,長(zhǎng)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(jí)為一級(jí),地基基礎(chǔ)按照乙級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì);按照乙類建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),抗震等級(jí)三級(jí);防水等級(jí)為二級(jí),混凝土抗?jié)B等級(jí)P8。節(jié)點(diǎn)部分采用現(xiàn)澆方法施工,標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)制拼裝方法施工,標(biāo)準(zhǔn)段總長(zhǎng)約1.034 km。預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)1.5 m,節(jié)段之間采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接(見圖1~2)。為便于下文進(jìn)行有關(guān)論述,統(tǒng)一規(guī)定,沿著預(yù)制管廊長(zhǎng)度方向?yàn)榭v向(X軸),管廊橫截面水平向?yàn)闄M向(Y軸),重力所在方向?yàn)樨Q向(Z軸)。
圖1 綜合管廊斷面布置圖(單位:mm)
圖2 預(yù)制管廊接頭構(gòu)造圖(單位:mm)
Winkler彈性地基梁模型是一個(gè)主要的樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算分析模型,在當(dāng)前研究中被廣泛應(yīng)用。我國(guó)城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(yīng)位移法進(jìn)行計(jì)算時(shí),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?jiǎn)卧M(jìn)行建模[2]。
結(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)(見圖3):地基彈簧剛度可按照式計(jì)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(jì)算長(zhǎng)度(m);d為土層沿結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算長(zhǎng)度(m)。
圖3 矩形結(jié)構(gòu)反應(yīng)位移法橫向計(jì)算示意圖
結(jié)構(gòu)縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)(見圖4):地基彈簧剛度可按照下式計(jì)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(jì)算公式:
圖4 結(jié)構(gòu)反應(yīng)位移法縱向計(jì)算示意圖
根據(jù)地勘資料,場(chǎng)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(chǔ)(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(shè)計(jì)規(guī)范中地基彈簧計(jì)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(jì)算長(zhǎng)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
節(jié)段預(yù)制綜合管廊的連接方式主要有承插式接頭、螺栓連接和預(yù)應(yīng)力筋連接[4]。陳智強(qiáng)[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(jì)算模型和抗彎承載力計(jì)算模型的接頭設(shè)計(jì)計(jì)算方法。胡翔[6]通過接頭和整體結(jié)構(gòu)足尺模型對(duì)采用預(yù)應(yīng)力筋連接的綜合管廊進(jìn)行單調(diào)靜力試驗(yàn)研究。張厚美[7]將接頭襯墊和連接螺栓抽象成彈簧,推導(dǎo)了接頭剛度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。本文得到的接頭剛度計(jì)算模型,基于以下假定:(1)接縫處轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滿足平截面假設(shè);(2)整個(gè)計(jì)算中彈性橡膠墊均未出現(xiàn)拉應(yīng)變;(3)只考慮頂板底板或兩側(cè)墻橡膠墊剛度。推導(dǎo)出基于梁?jiǎn)卧僭O(shè)的接頭剛度計(jì)算模型,見圖5。
圖5 預(yù)制管廊接頭結(jié)構(gòu)分析模型示意圖
由于轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小,取θ≈tanθ,首先根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉值,推導(dǎo)出彈性橡膠墊初始變形,然后由平截面假定推導(dǎo)出彎矩作用下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和彈性橡膠墊的幾何變形,進(jìn)而根據(jù)幾何方程、物理方程求得預(yù)應(yīng)力鋼筋拉力和彈性橡膠墊壓力,最后由截面力學(xué)平衡方程可以求得接頭剛度理論計(jì)算公式。
表3 接頭剛度參考取值表
由接頭剛度計(jì)算公式求得本工程接頭橫向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為8.29×108N/m,豎向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為1.12×109N/m,由上述公式計(jì)算得到的接頭剛度為理論計(jì)算公式,與實(shí)際狀況存在一定誤差,設(shè)置接頭類型C1及接頭類型C3,見表3。
節(jié)段預(yù)制管廊模擬為梁?jiǎn)卧?,?jié)段之間通過link單元連接,假設(shè)節(jié)段之間只發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。預(yù)制拼裝段與節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆位置處,通常設(shè)置沉降縫,忽略預(yù)制管廊兩端約束。選取200 m預(yù)制拼裝標(biāo)準(zhǔn)段建立SAP2000有限元分析模型,模型中共396個(gè)節(jié)點(diǎn),264個(gè)框架單元,131個(gè)link單元,見圖6。
圖6 預(yù)制管廊梁?jiǎn)卧治瞿P蛨D
根據(jù)地基類型和接頭類型不同,設(shè)置5個(gè)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(dòng)剛度4.15×108N/m,繞豎向轉(zhuǎn)動(dòng)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
由本文所選工程接頭剛度為繞橫向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度8.29×108N/m,繞豎向轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)比分析中以工況2-2為參考基準(zhǔn),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(dòng)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(shí),節(jié)段預(yù)制管廊接頭連接剛度的變化會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振頻率和振動(dòng)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(dòng);(3)就管廊結(jié)構(gòu)本身而言,其繞豎向的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較繞橫向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)模態(tài),這主要是受預(yù)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(huì)顯著改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,從而在動(dòng)力學(xué)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(duì)管廊結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響。相同的陣型特點(diǎn)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(duì)節(jié)段預(yù)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(duì)預(yù)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(dòng)、豎向漂移以及一階豎向漂移的對(duì)應(yīng)頻率分別為:0.7 Hz、1.2 Hz、1.2 Hz、1.6 Hz、1.6 Hz)影響很??;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(duì)土質(zhì)類別較敏感,在計(jì)算中應(yīng)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
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(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧P陀?jì)算效率較高。
(2)基于平截面假定的節(jié)段預(yù)制綜合管廊接頭力學(xué)特性的模擬分析中力學(xué)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(jì)算公式。
(3)相同的陣型特點(diǎn)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(duì)預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)縱向漂移、橫向漂移、一階橫向振動(dòng)、豎向漂移以及一階豎向漂移等主要陣型影響很?。灰欢ǖ鼗鶑椈蓜偠确秶鷥?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(duì)土質(zhì)類別較敏感,在計(jì)算中應(yīng)該著重考慮。