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        城市大型地下互通含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究

        2022-09-15 07:07:48王海峰周秋龍陳霧航
        城市道橋與防洪 2022年8期
        關(guān)鍵詞:隔墻側(cè)墻主應(yīng)力

        王海峰,武 健,周秋龍,陳霧航

        (1.南京城建隧橋智慧管理有限公司,江蘇 南京 210017;2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210019)

        0 引 言

        城市大型地下互通結(jié)構(gòu)的建設(shè)是完善城市功能的必然選擇[1],對于大規(guī)模多層地下空間的開發(fā),保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是一個重要方面,尤其要重視結(jié)構(gòu)的抗震性能。在1995年阪神地震中,神戶市內(nèi)多處地下結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切、斜向龜裂等嚴(yán)重破壞[2],地震對地下結(jié)構(gòu)的破壞會給震后修復(fù)帶來較大困難,因此,保證地下結(jié)構(gòu)的抗震安全具有重要的現(xiàn)實意義。

        針對地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究,學(xué)者們從現(xiàn)場勘測、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等方面做過很多研究,劉如山等[3]、Huo等[4]、刁玉紅等[5]通過擬靜力法求解結(jié)構(gòu)的非線性運(yùn)動方程的解析解。韓潤波等[6]、Chen等[7]、劉晶波等[8]通過擬靜力試驗和振動試驗?zāi)M土體與結(jié)構(gòu)的震動響應(yīng)特性。高偉豪[9]、丁德云等[10]、伍興文等[11]、律清等[12]對地下交通結(jié)構(gòu)采用MIDAS、FLAC、ADINA等軟件進(jìn)行有限元動力分析。研究地下空間結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)特性能為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供依據(jù)。目前對地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究主要集中在對地下空間結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[13-14],較少結(jié)合地下空間結(jié)構(gòu)開發(fā)利用的特點(diǎn)提出抗震措施,從而進(jìn)一步加大對地下結(jié)構(gòu)中閑置夾空層的開發(fā)利用。

        本文采用數(shù)值計算的方法,建立含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系下的有限元計算模型。研究含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系在地震動力作用下的力學(xué)特性,分析節(jié)點(diǎn)處的抗震性能,進(jìn)一步提出抗震構(gòu)造措施,優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

        1 隧道夾空層空間工程地質(zhì)概況

        惠民大道綜合改造工程位于南京市鼓樓區(qū)惠民路,場地隸屬于長江漫灘地貌單元,相對平緩,地面高程5.58~7.82 m,最大高差2.24 m。

        該場地屬下?lián)P子地層區(qū),古生代、中新生代地層比較齊全,巖性以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主。區(qū)內(nèi)位于華北地震區(qū)長江中下游-南黃海地震帶內(nèi),屬中強(qiáng)震活動區(qū)。

        2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范和《惠民大道綜合改造工程巖土工程勘察報告》,該工程設(shè)計地震分組為第一組,場地類別為II類,場地抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。場地特征周期值為0.45 s。工程抗震設(shè)防分類為乙類,抗震等級為二級,按7度抗震設(shè)防烈度要求進(jìn)行抗震驗算。

        3 數(shù)值模型建立

        3.1 模型設(shè)置

        采用時程分析法進(jìn)行地震效應(yīng)計算,同時也綜合考慮靜力荷載作用及地震動力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。為使結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計更加安全、經(jīng)濟(jì),在一些大型、重要建筑設(shè)計中要考慮相互作用的影響,這里選取動力人工邊界和土動力本構(gòu)。

        該次模型動力邊界采用黏彈性人工邊界,土體的動力本構(gòu)模型采用Morh-Coulomb模型。

        結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)地層分布情況為:①1雜填土(1.6 m)+①2素填土(4.7 m)+②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土(23.4 m)。根據(jù)詳勘報告,各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

        3.2 模型尺寸及初始條件

        采用動力分析時,通常地震波的能量主要集中在0~10 Hz的頻率范圍內(nèi),土體的最小剪切波速約為100 m/s,最短波長為10 m,因此計算中剪切波速傳播的主要方向即豎向單元尺寸不大于1 m即可滿足要求。當(dāng)土體的最小剪切波速為200 m/s時,豎向單元尺寸取2 m可滿足計算要求,如表2所示。

        表2 土體參數(shù)取值圍

        土層的選取范圍,一般頂面取地表面,底面取等效基巖面,水平向自結(jié)構(gòu)側(cè)壁至邊界的距離宜至少取結(jié)構(gòu)水平有效寬度的3倍[15]。

        為能夠顯著反映地下結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)特性,選取阪神波作為基巖輸入的地震動,其中阪神波具有明顯的脈沖特性,截取作用時間為20 s,峰值加速度為2.2 m/s2(相當(dāng)于7度罕遇地震下設(shè)計基本地震加速度為0.2g地區(qū)的最大加速度),加速度時程曲線如圖1所示。地震動輸入時,按照三個方向同時輸入,即同時輸入一條P波和兩條S波,模擬真實地震情況。

        圖1 阪神波地震加速度時程曲線

        選取惠民大道地下典型斷面建立模型,如圖2(a)所示,隧道結(jié)構(gòu)頂板厚度為1 m,側(cè)墻及底板厚度均為1.2 m,中板及中隔墻厚度均為0.6 m。左側(cè)、中部下層都為匝道,中部上層為管廊層,其余空間為夾空層,右側(cè)緊鄰建筑。該段隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為φ800@1 000鉆孔灌注樁,樁長為31 m,止水體系為φ850@600攪拌樁止水帷幕,樁長為19 m。隧道基礎(chǔ)采用裙邊+抽條加固的形式,加固深度為3 m。該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為臨時性結(jié)構(gòu)設(shè)計,圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為2 a,故研究抗震性能時不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響。通過建立含夾空層隧道結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)夾空層中所需建設(shè)的功能房的要求對結(jié)構(gòu)驗算抗震性能,并提出抗震構(gòu)造措施以滿足結(jié)構(gòu)安全需求。土體模型尺寸為120 m×20 m×50 m,模型包含16 190個單元,22 054個節(jié)點(diǎn)以及10 263個彈簧阻尼器單元,如圖2(b)所示。

        圖2 典型斷面模型

        4 地震響應(yīng)分析

        4.1 結(jié)構(gòu)的位移分析

        根據(jù)典型斷面選取結(jié)構(gòu)頂板關(guān)鍵位置如圖3所示,其豎向位移時程變化規(guī)律如圖4所示。選取結(jié)構(gòu)底板關(guān)鍵位置如圖5所示,其豎向位移時程變化規(guī)律如圖6所示。選取結(jié)構(gòu)側(cè)墻關(guān)鍵位置如圖7所示,其豎向位移時程變化規(guī)律如圖8所示。選取結(jié)構(gòu)中隔墻關(guān)鍵位置如圖9所示,其豎向位移時程變化規(guī)律如圖10所示。

        圖3 頂板關(guān)鍵位置選取

        圖4 結(jié)構(gòu)頂板關(guān)鍵位置豎向位移-時程曲線

        圖5 底板關(guān)鍵位置選取

        圖6 結(jié)構(gòu)底板關(guān)鍵位置豎向位移-時程曲線

        圖7 側(cè)墻關(guān)鍵位置選取

        圖8 結(jié)構(gòu)側(cè)墻關(guān)鍵位置水平位移-時程曲線

        圖9 中隔墻關(guān)鍵位置選取

        圖10 結(jié)構(gòu)中隔墻關(guān)鍵位置水平位移-時程曲線

        圖3至圖10給出了隧道結(jié)構(gòu)在阪神波作用下地震三個方向同時輸入時隧道結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測位置水平和豎向位移時程曲線。從圖中可以看出,在4.52 s時(對應(yīng)地震加速度峰值時間點(diǎn)),結(jié)構(gòu)的豎向位移達(dá)到最大,在4.64 s時,結(jié)構(gòu)的水平位移達(dá)到最大。統(tǒng)計峰值加速度時刻結(jié)構(gòu)各主要位置變形情況發(fā)現(xiàn),頂板、底板的豎向最大位移和最小位移分別為42.7 mm、41.7 mm、42.63 mm、40.65 mm,側(cè)墻和中隔墻的水平位移最大值和最小值分別為44.46 mm、44.11 mm、40.97 mm、41.47 mm,說明在峰值加速度作用下,結(jié)構(gòu)差異沉降較小,表明結(jié)構(gòu)受力整體性較好。

        從峰值加速度時結(jié)構(gòu)位移沿三個方向的云圖11可知,在峰值加速度時刻、水平地震作用下,結(jié)構(gòu)中隔墻發(fā)生了較大的剪切變形,變形主要位于中隔墻頂部和底部,設(shè)計時可通過在支座處設(shè)置加腋等措施加強(qiáng)支座剛度。在軸向地震作用下,結(jié)構(gòu)在地下二層底板位置出現(xiàn)較大的剪切變形,相對位移達(dá)3 mm。在豎向地震作用下,結(jié)構(gòu)沿隧道軸線出現(xiàn)剪切變形,剪切變形約為5 mm。

        圖11 峰值加速度時的結(jié)構(gòu)位移云圖

        4.2 層間位移角分析

        為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)相對位移變化規(guī)律,選取結(jié)構(gòu)斷面和得到的層間位移角如圖12和圖13所示。當(dāng)計算到7 s時,結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的剪切變形,2-2斷面位置相對位移較大。地下二層頂?shù)撞康南鄬λ轿灰撇钪颠_(dá)到2.36 mm,層間位移角為4.08×10-4(1/2450),根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50909—2014)規(guī)定的結(jié)構(gòu)抗震性能Ⅱ中的層間位移角的限值1/250。這里結(jié)構(gòu)相對位移也小于規(guī)范限制值,結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防要求。

        圖12 結(jié)構(gòu)相對位移斷面選取

        圖13 結(jié)構(gòu)不同位置層間位移角-時程曲線

        4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析

        為揭示夾空層空間隧道在地震作用下的受力狀態(tài)變化和震害發(fā)展模式,得到了初始地應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖和輸入三向地震波持續(xù)時間內(nèi)不同時刻的最大主應(yīng)力云圖如圖14和圖15所示。初始應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力主要分布在頂板跨中位置,隨著地震動的加強(qiáng),結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)側(cè)墻與中隔墻與層板的交界部位,這些部位均易于遭受拉破壞,是抗震構(gòu)造需要加固的區(qū)域。從最大主應(yīng)力大小變化和分布發(fā)展模式上分析震害的發(fā)生過程為:激振前期階段,側(cè)墻、中隔墻與層板連接部位的節(jié)點(diǎn)基本保持和初始狀態(tài)相同的受力,以受壓為主(圖15 a~b),隨著地震動的加強(qiáng),層板對墻體的約束力減弱,側(cè)墻與中板的水平抗側(cè)剛度減小,當(dāng)?shù)卣饎舆_(dá)到一定強(qiáng)度和持時后,墻體頂部出現(xiàn)較大剪切變形,產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力(圖15 c~d)。此后,原來由中隔墻承擔(dān)的荷載一部分轉(zhuǎn)移給側(cè)墻,發(fā)生內(nèi)力重分布(圖15 e~h),隧道結(jié)構(gòu)的側(cè)墻與頂板交叉部位在上覆土壓力和地震反復(fù)交變荷載的雙重作用下,發(fā)生更大的地震運(yùn)動和變形,直至交叉部位的彎矩值超過結(jié)構(gòu)的受彎承載力設(shè)計值時,該部位產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲破壞之后,逐漸演變?yōu)樗苄糟q。

        圖14 地應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

        圖15 結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布

        選取斷面的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)如圖16所示,得到不同結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所代表的空間最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力時程變化規(guī)律如圖17至圖22所示。在地震作用下,匝道底板與管廊側(cè)墻交界處節(jié)點(diǎn)以及夾空層空間中隔墻與頂板、中板和底板處節(jié)點(diǎn)均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力,這些節(jié)點(diǎn)位置易產(chǎn)生受拉破壞。結(jié)構(gòu)頂、底板與側(cè)墻和中隔墻交界處節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下,處于受拉—受壓狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)變,節(jié)點(diǎn)處最大壓應(yīng)力值為6 MPa左右,位于管廊結(jié)構(gòu)地下二層側(cè)墻交點(diǎn)處,該處與土體直接接觸,產(chǎn)生了較大的拉、壓應(yīng)力,應(yīng)力值小于規(guī)范規(guī)定的C40混凝土軸心抗壓設(shè)計值19.1 MPa。

        圖16 關(guān)鍵位置選取

        圖17 匝道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力時程曲線

        圖18 匝道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力時程曲線

        圖22 夾空層結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力時程曲線

        夾空層空間位置結(jié)構(gòu)中板與側(cè)墻交界處節(jié)點(diǎn)在地震反復(fù)荷載作用下,為不斷的受拉—受壓轉(zhuǎn)變狀態(tài),最大壓應(yīng)力值為6 MPa左右,由于該部分不與土體直接接觸且受到側(cè)墻的約束作用,應(yīng)力值小于頂板與底板應(yīng)力值,且小于規(guī)范要求的材料強(qiáng)度設(shè)計值。

        圖19 管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力時程曲線

        圖21 夾空層結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力時程曲線

        綜上可知,在對惠民大道地下結(jié)構(gòu)空間的典型斷面的抗震性能分析基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置和易發(fā)生剪切破壞的位置采取一定措施,可保證結(jié)構(gòu)安全,同時也證明了上述結(jié)構(gòu)的夾空層具備可開發(fā)利用的價值,可結(jié)合周邊需求開展建設(shè)。

        5 結(jié) 論

        本文對含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系空間結(jié)構(gòu)的抗震性能分析和可用夾空層空間可利用性的研究,對關(guān)鍵位置提出有效的抗震措施,得到的結(jié)論如下:

        (1)通過有限元分析結(jié)構(gòu)的抗震性能,證明了可利用的夾空層斷面結(jié)構(gòu)安全,該夾空層空間可進(jìn)行有效的開發(fā)利用;

        (2)通過有限元分析了利用夾空層的斷面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng),分析了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的位移-時程以及層間位移角-時程關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)地震荷載對于斷面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的影響在抗震設(shè)計的范圍之內(nèi),滿足設(shè)計要求,對于關(guān)鍵位置可采取措施消除隱患。

        圖20 管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力時程曲線

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