王曉敏

【摘? 要】論文以南京上坊潤麒路綜合管廊為工程背景，利用ABAQUS進行三維有限元模型的建立，對結(jié)構(gòu)埋深、接觸面設(shè)置、邊界條件等不同影響因素對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響規(guī)律進行分析。

【Abstract】Taking the utility tunnel in Runqi Road， Shangfang Town， Nanjing City as the engineering background， this paper uses ABAQUS to establish a three-dimensional finite element model， and analyzes the influence law of different influencing factors such as the burial depth of the structure， contact surface settings， and boundary conditions on the dynamic response of the structure.

【關(guān)鍵詞】綜合管廊;地震響應(yīng);影響因素;邊界條件

【Keywords】utility tunnel; seismic response; influencing factors; boundary conditions

【中圖分類號】TU984.11+6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）06-0177-02

1 工程概況

本文以南京上坊潤麒路綜合管廊為工程背景，潤麒路綜合管廊位于新建道路中央分隔帶或道路外綠化帶內(nèi)，建設(shè)場地拆遷完成后較為空曠。持力層主要以粉質(zhì)黏土為持力層，土層地基承載力特征值均較高，無需處理可直接作為基礎(chǔ)持力層。

2 地震波選取及模型建立

2.1 地震波選取

根據(jù)本工程巖土工程勘察報告，管廊結(jié)構(gòu)所在的場地類別為二類，設(shè)計地震第一組，地震動峰值加速度值為0.2g，相當(dāng)于地震基本烈度8度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。根據(jù)地震波選用基本原則，結(jié)合本文所涉及的實際工程巖土勘察報告，本文選擇典型的el-centro波作為地震輸入，由于每條地震波的加速度峰值均在前10s的范圍內(nèi)，所以本文截取前10s時間段的加速度曲線進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。

2.2 模型建立

本文為消除地震波在人工邊界處的散射效應(yīng)，采用了無限元人工邊界，在保證無限元區(qū)域的反應(yīng)為彈性的情況下，整個模型的尺寸比邊界遠(yuǎn)置情況大為減小，本文的管廊結(jié)構(gòu)體截面尺寸為4.1m×3.5m，本模型中地下綜合管廊結(jié)構(gòu)體兩側(cè)土體和下部土體各延伸20m，總的計算模型寬度方向為44.1m，管廊埋深2m，則總的高度方向為25.5m，縱向長度方向取50m。

計算模型中計算區(qū)域的土體選擇C3D8I（三維八節(jié)點實體單元），無限元區(qū)域土體采用CIN3D8（三維八節(jié)點一階無限單元）模擬，管廊結(jié)構(gòu)主體選擇S4R四節(jié)點殼單元模擬，鋼筋網(wǎng)選用T3D2（三維桁架單元）模擬。綜合管廊與周圍土體之間的接觸采用ABAQUS自帶General Contact，切向采用庫倫模型，摩擦系數(shù)根據(jù)Randolph和Worth建議的樁-土相互作用摩擦角算法，取u=0.3，法向采用硬接觸。本文按照上述要求通過ABAQUS建立三維有限元模型（共85617個單元，90779個節(jié)點），劃分網(wǎng)格后的管廊模型關(guān)鍵點如圖1所示。

3 影響因素分析

3.1 接觸面影響分析

土體和結(jié)構(gòu)是兩種完全不同性質(zhì)的材料，地震作用下二者在接觸面處的變形完全不同于相同連續(xù)的介質(zhì)所發(fā)生的變形問題，后者可以始終保持相鄰點變形的連續(xù)性，而前者往往不能滿足這一條件，特別是在強震作用下容易發(fā)生脫開與滑移。ABAQUS中的接觸壓力和間隙的默認(rèn)關(guān)系是“硬接觸”，即當(dāng)互相接觸的兩個面之間傳遞接觸壓力的大小不受限制，當(dāng)接觸面之間呈分離狀態(tài)，接觸壓力為零或者負(fù)值，相應(yīng)節(jié)點的接觸約束被去掉。對于切向作用常采用摩擦系數(shù)表示接觸面之間摩擦特性，本文就針對不同摩擦系數(shù)對結(jié)構(gòu)地震作用下的響應(yīng)規(guī)律進行研究分析，不同接觸面條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)變時程如圖2和圖3所示。

由圖2、3可以看出：當(dāng)不考慮土體與結(jié)構(gòu)之間的相互摩擦，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值最小，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)明顯偏小，當(dāng)土體與結(jié)構(gòu)之間的相對滑移為零時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值將會明顯增大，在μ=∞時，結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值達(dá)到最大，相比摩擦系數(shù)為μ=0.45增大幅度可達(dá)1.6～2.4倍，表明土體跟結(jié)構(gòu)之間的相互作用。表1更清楚地列出了A1至A5個各關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)變幅值，從表內(nèi)數(shù)據(jù)可以看出結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值均在μ=∞時取得最大值，表明不考慮結(jié)構(gòu)與土體接觸面之間的相對滑移將增大結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

3.2 邊界條件影響分析

人工邊界條件是結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的關(guān)鍵因素，本文就自由邊界、固定邊界、無限單元幾種不同的邊界條件進行分析并得出相應(yīng)結(jié)論，A1節(jié)點在不同邊界條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值以及等效應(yīng)力如圖4和圖5所示，關(guān)鍵節(jié)點不同邊界條件下結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值及等效應(yīng)力如表2所示。

由圖4可知，固定邊界結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值及等效應(yīng)力最大，無限單元邊界次之，自由邊界最小，也即若將結(jié)構(gòu)邊界設(shè)置自由邊界，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯偏小，設(shè)計是偏于不安全的狀態(tài)，若設(shè)置為固定邊界，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)明顯偏大，設(shè)計又偏于保守，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計對邊界條件進行設(shè)置時，將其設(shè)置為無限單元是較為理想的狀態(tài)。由表2可知，自由邊界條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值明顯較小，在同一節(jié)點處，固定邊界和自由邊界相比，應(yīng)變幅值計算結(jié)果增大了1.8～3.3倍，等效應(yīng)力計算結(jié)果增大1.4～2.9倍，由此可以看出，邊界條件在有限元分析中對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的影響是不可忽略的。

4 結(jié)論

本文主要分析結(jié)構(gòu)在埋深、接觸面設(shè)置、邊界條件等不同影響因素作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

①隨著埋深的增加，綜合管廊的峰值加速度和加速度放大系數(shù)也隨埋深的增加而減少。接觸面的峰值接觸壓力與峰值接觸剪力隨埋深的增加而增加，這同時也反映了隨著埋深的增加，土體對于結(jié)構(gòu)的約束增加，在地震作用下，結(jié)構(gòu)更容易受到周圍土體作用的影響。

②當(dāng)不考慮土體與結(jié)構(gòu)之間的相互摩擦，也即切向摩擦系數(shù)為0時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值最小，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)明顯偏小，接觸面在μ=∞時，結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值達(dá)到最大，也即當(dāng)土體與結(jié)構(gòu)之間的相對滑移為零時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值將會明顯增大，表明不考慮結(jié)構(gòu)與土體接觸面之間的相對滑移將增大結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

③固定邊界結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值及等效應(yīng)力最大，無限單元次之，自由邊界最小，也即若將結(jié)構(gòu)邊界設(shè)置自由邊界，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯偏小，設(shè)計是偏于不安全的狀態(tài)，若設(shè)置為固定邊界，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)明顯偏大，設(shè)計又偏于保守。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對邊界條件進行設(shè)置時，將其設(shè)置為無限單元是較為理想的狀態(tài)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳曉強，錢七虎.我國城市地下空間綜合管理的探討[J].地下空間與工程學(xué)報，2010，6（4）：666-671.

【2】鄭永來，楊林德，李文藝，等.地下結(jié)構(gòu)抗震[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2005.