折線型預(yù)制式管廊地震穩(wěn)定性分析

折線型預(yù)制式管廊地震穩(wěn)定性分析

0地下空間及管線的管廊效應(yīng)綜合管理走廊是利用地下公共管理的地下連續(xù)結(jié)構(gòu)，集中配置供水、排水、能源、電信等管道及其下屬設(shè)備，充分利用地下空間資源。許多學(xué)者通過振動臺模型試驗和有限元數(shù)值計算方法開展了有關(guān)管廊在地震荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律的研究工作。如:馮立等1項目總結(jié)1.1管廊預(yù)制件使用方式西安市緯一路段地下綜合管廊工程位于西安市南郊,基坑采用自然放坡施工(1∶1放坡),管廊結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式和現(xiàn)澆式綜合使用的方式。施工時,首先安裝預(yù)制管廊部件,其次管線變路徑、變高程段采用現(xiàn)場澆筑的方式,同時管廊之間通過預(yù)應(yīng)力錨栓縱向相鄰式進行聯(lián)接。管廊線路研究段工程地質(zhì)剖面如圖1所示。管廊是箱涵形式,結(jié)構(gòu)截面整體呈現(xiàn)為矩形。管廊預(yù)制件橫斷面如圖2所示。整體綜合管廊結(jié)構(gòu)所使用的混凝土強度等級為C40,混凝土抗?jié)B等級為P6,鋼筋等級為HRB400。1.2地震波相關(guān)參數(shù)對管廊在地震荷載作用下的有限元模擬進行研究,首先必須給出合理的地震波相關(guān)參數(shù)。通過綜合考慮,動力計算輸入的加速度時程依據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2有限差分模擬2.1土體接觸分析數(shù)值模擬計算中管廊埋深范圍內(nèi)黃土地層處于小變形范圍,在小變形階段,等效黏彈性模型可很好地反映動應(yīng)力-應(yīng)變的非線性及滯后性阻尼比為滯回圈的面積與骨架曲線以下與橫坐標(biāo)所圍面積之比。土體阻尼比式中:λ按實測的阻尼比與動應(yīng)變關(guān)系擬合材料的最大阻尼比,取試驗的下包線確定材料的最大阻尼比。采用Hardin建議的雙曲線模型對動剪切模量進行預(yù)測,相應(yīng)的動剪切模量式(2)—(3)中:G在有限元計算中,土體的率相關(guān)特性采用Kelvin黏彈性本構(gòu)關(guān)系進行描述,其具體的本構(gòu)關(guān)系為式中:σ為更合理地反映實際工程情況,在有限元計算中考慮了結(jié)構(gòu)與土體的接觸特性,即通過建立兩者之間的接觸面來反映相互影響的特性,其中接觸面計算模型采用罰函數(shù)方法進行計算,切向摩擦接觸關(guān)系采用庫侖摩擦模型進行計算,接觸勁度矩陣方程如式(5)所示。式中:K動力計算采用完全非線性方法,求解所有運動方程。動力分析的運動方程如式(6)所示。式中:m為節(jié)點集中質(zhì)量;c為黏滯阻尼系數(shù);f2.2管廊模擬區(qū)域為反映實際工程建設(shè)中的2種預(yù)制式綜合管廊形式,本次模擬計算中選取了研究區(qū)域內(nèi)具有代表性的2段,即有高程變化的折線管廊(折線型)三維有限元計算模型和無高程變化的直線管廊(直線型)三維有限元計算模型。管廊模擬區(qū)域如圖6(a)和6(b)所示。模型整體取8節(jié)管廊預(yù)制件,管廊預(yù)制件間有預(yù)應(yīng)力錨栓固定連接,錨栓長度為1.5m。在轉(zhuǎn)彎處采用現(xiàn)場澆筑方式施工,以提高構(gòu)件的承載能力。管廊拼裝及連接構(gòu)造如圖6(c)和6(d)所示。管廊結(jié)構(gòu)及土體使用六面體8節(jié)點實體單元進行網(wǎng)格劃分,錨栓結(jié)構(gòu)使用梁單元進行網(wǎng)格劃分。管廊單元網(wǎng)格劃分特征節(jié)點位置如圖7所示。2.3數(shù)值計算參數(shù)選取在有限元動力計算時,模型四周將采用黏彈性阻尼邊界在本文的研究對象中,預(yù)制箱涵管廊節(jié)段之間主要通過預(yù)應(yīng)力錨栓進行連接,錨栓的性能是判斷預(yù)制管廊節(jié)段連接是否良好的主要指標(biāo),且在動力計算中錨栓處最先發(fā)生應(yīng)力響應(yīng)。綜合考慮在有限元計算中,主要涉及的材料參數(shù)分別為黃土地層參數(shù)、管廊混凝土材料參數(shù)、連接錨栓參數(shù)等。計算參數(shù)的確定主要依據(jù)建設(shè)單位所提供的參考值,其中,在管廊埋深范圍內(nèi)土層主要為黃土。黃土動力計算參數(shù)取值如表1所示。管廊結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土材料,通過已有的研究成果表明,混凝土材料在動力條件下的變形是極小的通過初步計算,獲得的管廊一階模態(tài)振型如圖8所示(變形放大4倍顯示),其中直線及折線段管廊模型的固有頻率均為2.9Hz。3數(shù)值計算結(jié)果的分析對有限元模型計算結(jié)果進行分析,得到了折線型和直線型預(yù)制式管廊結(jié)構(gòu)、拼接縫、錨栓結(jié)構(gòu)受到地震荷載作用時的響應(yīng)特性。3.1管廊下底板的強度管廊豎向加速度最大值分布云圖如圖9所示。管廊豎向反應(yīng)位移最大值分布云圖如圖10所示。由圖9和圖10可知:1)折線管廊在x軸(橫向)、z軸(縱向)的最大水平位移分別為3.15cm和4.20cm,而2個最大值出現(xiàn)的位置分別在管廊埋深變化段靠近淺埋處和管廊埋深變化段靠近深埋處管廊底板附近,表明了管廊結(jié)構(gòu)高程變化點為變形敏感點,在設(shè)計和施工中應(yīng)重點加強此處底板的強度;2)折線管廊加速度在x軸(橫向)的最大值為0.18m/s3.2折線管廊拼接縫的震后變形在地震荷載作用下,相對于直線管廊,折線管廊由于高程發(fā)生了明顯的改變,其相鄰管廊結(jié)構(gòu)之間的拼接縫更易受到地震荷載的影響。折線段管廊接縫變形最大值云圖如圖14所示。分析可知:1)管廊接縫在地震中和地震后的張拉變形很小;2)橫向和豎向滑移變形較大,其中橫向水平滑移變形最大,且震后變形均大于地震過程中的變形。通過進一步處理,可得到折線管廊在地震過程中管廊拼接縫最大應(yīng)力、應(yīng)變值如下:最大張開位移為0.098cm,水平向最大剪應(yīng)力為0.79MPa,豎向最大剪應(yīng)力為0.48MPa,水平向滑移位移最大值為1.61cm,豎向滑移位移最大值為1.15cm。折線管廊不同峰值加速度下拼接縫位移如圖15所示。綜合來看,折線管廊拼接縫的變形不容忽視,應(yīng)當(dāng)在設(shè)計中將其作為重要的指標(biāo),從而提高地下綜合管廊的整體抗震能力。3.3管廊結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域為了分析錨栓在受到地震荷載作用時的受力和損傷情況,選取折線管廊和直線管廊模型在峰值加速度為0.1g條件下的計算結(jié)果,即對混凝土在地震作用下發(fā)生的損傷進行分析。地震后管廊結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域分布如圖16所示?？梢钥闯?1)錨栓所受應(yīng)力最大值未超過屈服應(yīng)力,即未發(fā)生塑性破壞,表明該設(shè)計指標(biāo)的合理性;2)直線管廊在地震作用下,錨栓受力變形均比折線段管廊要小,折線段管廊的損傷值比直線段管廊混凝土管節(jié)的損傷值更大,說明折線管廊更易受到地震荷載的影響,且折線管廊損傷主要發(fā)生在傾斜段的管節(jié),其中多以拉伸損傷為主。因此,在整體抗震設(shè)計時,可以通過提高鋼筋型號等措施來提升折線管廊傾斜段混凝土管節(jié)區(qū)域處的抗震能力。4管廊的地震響應(yīng)問題1)地震荷載對不同線型管廊的影響有明顯差別,折線管廊比直線管廊更易受到地震的影響,需在后續(xù)抗震設(shè)計中適當(dāng)提高對折線段抗震設(shè)計的要求,以增強其抗震能力。2)在折線型管廊結(jié)構(gòu)受到地震荷載作用時,張拉變形很小,而橫向和豎向滑移變形較大,應(yīng)當(dāng)在施工和設(shè)計中予以重視。3)在地震后,折線段管廊比直線段管廊的混凝土管節(jié)更容易發(fā)生損傷,并且這種損傷主要發(fā)生在傾斜段管節(jié)處(拉伸損傷),可以通過提高該處混凝土的強度等措施來抵抗地震荷載。本文對不同線型預(yù)制箱涵管廊在地震作用下的結(jié)構(gòu)、拼接縫設(shè)計的影響進行了