王鵬宇

(1.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610081;2.四川省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，四川成都610081)

1 頂管工作井

隨著我國城市化的快速發(fā)展，地下管網(wǎng)的新建、改造等需求日益增長，頂管施工能避免大量明挖和減小對周邊道路、建筑、交通等設(shè)施影響，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了廣泛的應(yīng)用。頂管工作井作為一種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，主要為頂管施工提供施工空間，通常需要承受頂進(jìn)施工的反力，因此工作井的安全和穩(wěn)定對于整個頂管工程至關(guān)重要。近年來不乏學(xué)者對頂管工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力特性方面的研究，王東會[1]通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、編制軟件等方法，設(shè)計了一套通過現(xiàn)場拼接而成的支護(hù)體系，并針對該支護(hù)體系編制了相應(yīng)的設(shè)計軟件；戴顏斌[2]設(shè)計研發(fā)了一種由螺栓連接的新式圓形混凝土頂管工作井，并研發(fā)出了適合圓形裝配工作井的施工工藝；程嘉秋[3]通過理論分析，數(shù)值模擬，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等方法，分析了頂管工作井在頂管施工過程中的受力特性，并根據(jù)研究結(jié)果提出了一些可行的工作井設(shè)計建議；黃堅生[4]使用數(shù)值分析方法研究了矩形頂管工作井結(jié)構(gòu)及土體的空間受力和變形特點，結(jié)果表明工作井結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)無論是深度方向還是水平向都體現(xiàn)出了明顯的空間性；耿亞梅等[5]通過采用四因素三水平正交試驗法進(jìn)行多因素系統(tǒng)分析，研究了環(huán)梁厚度、地下連續(xù)墻厚度、內(nèi)襯墻厚度等因素對工作井支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力的影響規(guī)律，試驗表明使用正交試驗設(shè)計方法確定工作井合理的支護(hù)參數(shù)可以大大減少計算數(shù)量；宋金良[6]建立了環(huán)一梁分載計算理論，為圓形工作井結(jié)構(gòu)提供了一種新的計算分析方法，并研制了環(huán)-梁分載計算分析軟件；魏麗敏等[7]采用三維有限元分析，給出了淺埋沉井土抗力沿圓周分布的擬合方程，采用規(guī)范法及有限元法對頂力作用下深埋、淺埋工作井的位移和新增土抗力進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明規(guī)范法將導(dǎo)致土抗力的計算結(jié)果偏大。

基坑支護(hù)工程需要依靠完善的設(shè)計規(guī)范和施工工藝，考慮工程場地的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境對基坑支護(hù)的影響、地震災(zāi)害的不確定性等?；又ёo(hù)設(shè)計及施工針對地震災(zāi)害的防范，對我國特別是地震災(zāi)害高發(fā)地區(qū)極為重要。趙雙喜[8]采用數(shù)值模擬、室內(nèi)振動臺模型試驗等方法，系統(tǒng)研究了強(qiáng)震作用下，地下連續(xù)墻基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，研究發(fā)現(xiàn)在地震荷載作用下，地下連續(xù)墻墻體最大主應(yīng)力位于基坑底部范圍；王穎軼[9]采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗及理論分析等綜合研究方法，研究了強(qiáng)地震作用下不同形式深基坑抗震穩(wěn)定性、基坑支護(hù)體系地震位移及災(zāi)變的時程和空間分布等，并開發(fā)了基于任意三維正交立體交匯色譜分析法用于定點評價混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的三維解析軟件；張杰[10]通過有限元數(shù)值模擬和理論分析等方法，研究了基坑開挖過程中土體的力學(xué)特性和樁錨支護(hù)體系的變形規(guī)律及地震作用下樁錨支護(hù)體系的動力特性和抗震性能，對樁錨支護(hù)體系的抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)評價。

然而現(xiàn)有研究成果鮮有針對頂管工作井進(jìn)行地震響應(yīng)分析，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有工作井工程實例，建立了有效的土-結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對頂管工作井進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

2 研究方法

本文采用數(shù)值模擬方法，通過ABAQUS大型有限元軟件對工作井建立有效的土-結(jié)構(gòu)有限元模型，通過輸入實際地震記錄對工作井進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

2.1 工作井支護(hù)方案

本文選擇某頂管工程工作井實例，該工程采用矩形截面沉井法施工，工作井截面尺寸6.0 m×6.0 m(圖1)，工作井深度為8.0 m，混凝土強(qiáng)度等級C30，壁厚40 cm，井壁均勻配筋C18@150 mm。工作井側(cè)壁土層參數(shù)見表1。

圖1 工作井截面示意(單位:mm)

表1 土層參數(shù)

2.2 計算模型

本文選用了混凝土損傷本構(gòu)模型來模擬反復(fù)荷載作用下混凝土的塑性損傷。混凝土損傷模型由Lubliner等[11]提出，并由Lee和Fenves[12]在其基礎(chǔ)上改進(jìn)、發(fā)展，模擬混凝土等準(zhǔn)脆性材料在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為，比較適合模擬地震等荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析。

為了準(zhǔn)確模擬地下結(jié)構(gòu)在土體中的響應(yīng)，設(shè)置粘彈性人工邊界模擬無限地基，對截取的計算區(qū)域設(shè)置人工邊界以吸收地震波的反復(fù)反射。當(dāng)?shù)鼗秶榻Y(jié)構(gòu)三倍寬度時即可得到較好的計算結(jié)果(朱彬，2005)[13]，本文模型橫向、豎向和縱向方向土層范圍分別取為X=7×6.0 m=42.0 m、Y=7×6.0 m=42.0 m、Z=4×8.0 m=32.0 m。

作用在人工邊界節(jié)點上的等效節(jié)點力(趙建鋒、杜修立(2007)[14]及趙密(2004、2009)[15-16]為：

(1)

其中，人工邊界節(jié)點處自由場位移向量為：

(2)

自由場速度向量：

(3)

對于地下結(jié)構(gòu)，由于兩種材料性質(zhì)差別大，土與結(jié)構(gòu)的接觸模擬至關(guān)重要，基于ABAQUS的接觸分析方法，接觸面法向定義為硬接觸，切向接觸采用庫倫摩擦模型，即當(dāng)切向摩擦力小于定值時接觸面不發(fā)生切向的相對位移，而當(dāng)切向摩擦力超過定值時接觸面發(fā)生滑移。

2.3 計算工況

本文模型輸入1999年臺灣集集地震，TCU045(N-S向記錄)，截取部分進(jìn)行濾波處理。地震峰值分別調(diào)幅至0.1g、0.2g及0.3g后進(jìn)行輸入。

如圖2為輸入的加速度時程(0.3g工況)。

圖2 TCU045加速度時程曲線

3 計算分析

3.1 加速度反應(yīng)分析

表2為工作井井壁處土體在三種地震力工況下的橫向加速度峰值，可知井壁處土體加速度隨地震力的傳播方向逐漸增大，驗證了土層對地震動的放大作用。其中，0.3g工況下井壁處土體最大加速度已達(dá)到0.428g，增幅比例約43 %。

表2 井壁處土體橫向加速度峰值

表3為深度方向井壁各點橫向加速度峰值，與同側(cè)土體相比，加速度峰值近似，可知在地震力作用下土體與工作井結(jié)構(gòu)的振動具有較好的整體性。

表3 井壁橫向加速度峰值

3.2 位移反應(yīng)分析

為了研究地震作用下工作井的變形特征，對不同工況下工作井各參考點與底板的相對位移時程進(jìn)行了比較，并計算相應(yīng)輸入下的工作井剪切角時程，見表4。

表4 井壁最大剪切角(參考點位見圖1)

如圖3所示為井壁處各參考點相對底板的位移時程峰值，可知井壁出各參考點相對底板的位移峰值隨距底板距離的增加逐步增加，0.3g地震力作用下最大相對位移11.32 mm，與0.2g及0.1g相比，分別增加了99.3 %及219.8 %。與井壁上半部分相比，井壁下半部分，即距底板0.0～4.0 m處相對位移增加幅度有所增加。

圖3 井壁處各參考點相對底板的位移時程峰值

3.3 工作井混凝土損傷分析

本文模型材料混凝土損傷模型模擬工作井在地震作用下的彈塑性響應(yīng)，利用損傷因子參數(shù)描述混凝土在反復(fù)荷載作用下的剛度退化。如圖4～圖9所示分別為0.1g、0.2g及0.3g地震工況作用下工作井側(cè)板及底板的混凝土損傷受拉云圖。

圖4 0.1g工況側(cè)板混凝土受拉損傷云圖

圖5 0.3g工況側(cè)板混凝土受拉損傷云圖

圖6 0.2g工況側(cè)板混凝土受拉損傷云圖

圖7 0.1g工況底板混凝土受拉損傷云圖

圖8 0.2g工況底板混凝土受拉損傷云圖

圖9 0.3g工況底板混凝土受拉損傷云圖

由圖可知，隨輸入地震加速度的增大，側(cè)板混凝土損傷逐步加大。0.1g地震作用下，僅底板與側(cè)板連接處、側(cè)板交界處及底板中心處有較小程度的損傷，最大損傷因子約0.15，底板中心處最大損傷約0.21，結(jié)構(gòu)整體基本完好，依據(jù)地震烈度與加速度的對應(yīng)關(guān)系，此工況下實際對應(yīng)Ⅶ度與Ⅷ度之間。0.2g地震作用下(實際對應(yīng)Ⅶ度至Ⅷ度強(qiáng)之間)，損傷程度逐步加大，其中側(cè)板跨中處損傷為最大損傷位置，損傷因子約0.36，底板與側(cè)板交界處也出現(xiàn)一定程度損傷，損傷因子達(dá)到約0.30，該工況下?lián)p傷已由局部向四周開始發(fā)展，為中等程度破壞。0.3g地震作用下(實際對應(yīng)Ⅶ度強(qiáng)至Ⅸ度之間)，側(cè)板、底板均有發(fā)生了較大程度的塑性損傷，側(cè)板跨中處最大損傷因子已達(dá)到約0.83，底板與側(cè)板交界處最大損傷因子約0.43，工作井結(jié)構(gòu)趨于完全破壞。

隨地震動輸入的增大，工作井混凝土損傷按底板與側(cè)壁交界處→各側(cè)板交界處→側(cè)板跨中處的順序逐漸增大，且在側(cè)板跨中處達(dá)到最大損傷。

4 結(jié)論

本文對頂管工作井進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，初步得到以下結(jié)論：

(1)通過建立有效的土-工作井三維有限元模型，輸入不同工況的地震作用進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，計算發(fā)現(xiàn)工作井底板、側(cè)板與底板交界處、各側(cè)板交界處及側(cè)板跨中處均發(fā)生了不同程度的損傷。

(2)依據(jù)地震烈度與加速度的對應(yīng)關(guān)系，Ⅷ度強(qiáng)至Ⅸ度之間工作井結(jié)構(gòu)趨于完全破壞。

(3)通過不同地震作用工況下工作井的地震響應(yīng)結(jié)果，分析了工作井在地震作用下的破壞模式，工作井混凝土損傷按底板與側(cè)板交界處→各側(cè)板交界處→側(cè)板跨中處的發(fā)展順序逐漸增大，得出側(cè)板跨中處為損傷最大位置，而頂管施工時側(cè)板需要承受較大頂力，應(yīng)加強(qiáng)這些部位的抗震設(shè)計。