周 浩,倪文龍
[悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司,江蘇 蘇州 215000]
隨著城市地上空間日益緊張,地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)在城市化進程中的作用日益突出。傳統(tǒng)觀念認為,地下結(jié)構(gòu)受土體約束、剛度較大且結(jié)構(gòu)高度一般較小,在地震作用下結(jié)構(gòu)不會嚴重破壞。然而,1995 年日本阪神大地震、1999 年土耳其Duzce7.8 級地震、2008 年汶川8.0 級地震、2012 年臺灣集集7.3 級地震等[1],這些地區(qū)地下結(jié)構(gòu)在地震中的大量破壞帶來的安全問題和經(jīng)濟損失使人們重新認識到地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要性。
目前,地下結(jié)構(gòu)常用的抗震方法主要有地震系數(shù)法、反應(yīng)位移法、時程分析法等[2-3]。其中,時程分析法考慮了地震波的動強度、持續(xù)時間和頻譜特征,同時納入地震環(huán)境和場地特征的影響,被普遍認為是計算結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)最精確的方法。本文結(jié)合蘇州春申湖隧道敞開段,通過建立三維數(shù)值模型進行結(jié)構(gòu)強度和變形驗算,得出敞開段地震工況控制部位和變形特征,為類似工程提供參考。
蘇州春申湖路快速化改造工程是規(guī)劃蘇州中環(huán)快速路北段的重要組成部分,元和塘以東段采用隧道沿春申湖路敷設(shè),西起齊門北大街以東、澄帆路與春申湖路交叉口,東至蠡塘河西側(cè)、澄星街與春申湖路交叉口。
隧道暗埋段結(jié)構(gòu)采用兩孔+ 管廊箱涵斷面形式,敞開段采用U 型槽結(jié)構(gòu),在敞開段和部分標準暗埋段部位,底板設(shè)置抗拔樁。
工程場地100 m 以淺各土層由第四紀中更新世以來的沖湖積~ 濱海相碎屑沉積土層組成,場地20 m以淺土層的平均剪切波速Vse為164.0~183.2 m/s,工程場地類別為Ⅲ類,特征周期值為0.45 s。
本文采用Midas GTS 有限元分析軟件建立敞開段三維有限元模型,模型尺寸取55 m(長)×92 m(寬)×80 m(高),各層土體參數(shù)采用地質(zhì)勘察資料中的土體參數(shù),如圖1、圖2 所示。
圖1 地層- 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格
圖2 主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格
隧道敞開段主線頂?shù)装搴?.5 m,側(cè)墻厚1.4 m,中間管廊壁厚0.5 m,寬31.8 m;匝道底板厚1.1 m,側(cè)墻厚1.1~0.6 m,寬10.8 m,設(shè)置樁徑0.8 m、長15 m抗拔樁。隧道頂?shù)装宀捎冒鍐卧M,土體采用六面體單元模擬,抗拔樁采用梁單元模擬,地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、表2。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)
本模型動力分析階段對邊界條件做以下規(guī)定:
(1)底部邊界:由于在目前的工程抗震設(shè)計中,地震動輸入大多為水平振動的剪切波,豎直方向約束,水平方向施加地震波。
(2)側(cè)向邊界:側(cè)向土體均采用黏彈性邊界以吸收地震波能量。
(3)頂部邊界:水平和豎直方向均為自由。
(4)土體與結(jié)構(gòu)接觸面未考慮界面接觸特性,二者節(jié)點耦合。
由于地震具有較強的隨機性和獨特性,地震波的動強度、持續(xù)時間和頻譜特征對地下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響很大。
本文采用動力時程分析的目標峰值取0.125g,持續(xù)時間根據(jù)工程實踐中的選擇原則[4]取30 s,地震波選用El-Centro 波、San Fernando 波和蘇州地區(qū)人工波,以盡可能貼合當時實際情況。計算采用的地震動加速時程曲線如圖3 所示。
圖3 地震波波形
本工程抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類,在E2 地震作用下,隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)保持正常使用功能、結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段,需進行結(jié)構(gòu)強度驗算。靜力工況和不同地震波作用下隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)值見表3。從中可以看出,E2 地震作用下,結(jié)構(gòu)最大彎矩出現(xiàn)在主線頂板,為4 222 kN·m,地震工況下主線頂板最大彎矩降低31.4%,結(jié)構(gòu)部位抗震工況對設(shè)計不起控制作用,截面抗彎配筋由靜力工況下的裂縫控制。
表3 隧道內(nèi)力計算結(jié)果匯總單位:kN/m
相關(guān)研究[5]表明,地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻在高軸壓比條件下具有較強的脆性特點。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016 年版)[6]要求,對本工程按照二級采取抗震措施,側(cè)墻軸壓比不大于0.6。各種工況下側(cè)墻軸力及軸壓比見表4。從中可以看出,E2 地震作用下主線側(cè)墻最大軸力大于靜力工況下側(cè)墻軸力,最大軸力增加約36.7%;隧道中隔墻最大軸力小于靜力工況下中隔墻軸力,最大軸力減少約51.9%。這表明地震工況下主線結(jié)構(gòu)側(cè)墻易處于高軸壓比工作狀態(tài),此時結(jié)構(gòu)側(cè)墻為抗震關(guān)鍵構(gòu)件,本次設(shè)計主線側(cè)墻壁厚取1.4 m,最大軸壓比為0.147,使側(cè)墻在地震作用下處于低軸壓比工作狀態(tài),不發(fā)生脆性破壞。此外,由于主線側(cè)墻剛度大于主線中隔墻,地震荷載作用下側(cè)墻承擔較大軸力,中隔墻軸力相對靜力工況有所降低。
表4 側(cè)墻軸力及軸壓比
罕遇地震(E3 地震)作用時,為保證地下結(jié)構(gòu)在震后可修復(fù),進行承受彈塑性變形能力極限狀態(tài)的驗算。E3 地震作用下節(jié)點頂板和底板的層間位移時程如圖4 所示。
從結(jié)構(gòu)層間位移值和變形圖來看,在水平橫向地震動的作用下,上下層的層間位移相差并不大,最大層間位移分別為6.125 mm、8.28 mm、6.325 mm,最大層間位移角為1/1340,小于1/250,各層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016 年版)規(guī)定的彈性層間位移角1/250 的限值。
本文通過建立三維時程分析模型,對蘇州市春申湖隧道敞開段進行計算,得到如下結(jié)論:
(1)E2 地震作用下,結(jié)構(gòu)最大彎矩出現(xiàn)在主線頂板,地震工況下主線頂板最大彎矩比靜力工況降低31.4%,截面抗彎配筋由靜力工況下的裂縫控制。
(2)E2 地震作用下,主線結(jié)構(gòu)側(cè)墻易處于高軸壓比工作狀態(tài),此時結(jié)構(gòu)側(cè)墻為抗震關(guān)鍵構(gòu)件,本次設(shè)計主線側(cè)墻壁厚取1.4 m,最大軸壓比為0.147,側(cè)墻在地震作用不發(fā)生脆性破壞。
(2)E3 地震作用下,結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/250,結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段,滿足抗震性能的要求。