机场滑行道桥双孔箱涵结构地震力计算

机场滑行道桥双孔箱涵结构地震力计算高学奎【摘要】机场内的构筑物有其一定的特殊性，国内外尚未见对机场工程地下结构抗震问题的研究。介绍了一种适用于软土浅埋地下结构的抗震设计计算方法,并将该方法应用于某机场下穿通道工程刚构结构的地震力计算。分析表明,机场飞行区内的刚构结构具有较好的抗震能力，刚构结构将成为机场地下通道工程有竞争力的解决方案。%Airportstructureshavecertainprofessionalparticularity.Currentlythereisnoseismiceffectresearchontheundergroundstructureofthedomesticandinternationalairportproject.Thecalculationmethodofseismicforceontheshallow-buriedstructureinthesoftsoilisintroducedindetailinthearticle,whichisfirstlyappliedtocalculatetherigid-frameintheairportproject.Theresultsshowthattheseismiccapabilityoftherigid-framestructureintheairfieldareaofairportisverywell.Andtherigid-framestructurebecomesrecentlyacompetitivesolutionfortheairportunder,roundproiect.【期刊名称】《辽宁省交通高等专科学校学报》【年(卷)，期】2012(014)004【总页数】4页(P9-12)【关键词】机场工程;地下结构;刚构;地震力【作者】高学奎【作者单位】中国民航机场建设集团公司，北京100101【正文语种】中文【中图分类】TU311.31引言随着我国经济的发展，城市交通越来越繁忙，公路、铁路、航空等各种交通方式迅速发展。为了最大限度的利用地面资源，提高机场的运行效率，大型的枢纽机场均在飞行区中设置立交系统，即修建下穿通道来解决服务车辆通行与飞机通行的平面交叉的问题，下穿通道在与滑行道相交处设置滑行道桥，箱涵结构是滑行道桥的主要结构型式之一。我国是世界上多地震国家之一，近年来随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构的抗震问题日益受到地震工作者的重视。地下结构有很多类型，其抗震性能也不同。机场飞行区内的刚构结构多属于软土浅埋地下结构，一般采用大断面的明挖法施工，这种结构的抗震问题必须高度重视［1］。目前国内外对该种地下结构的抗震问题研究较少，本文归纳了国内现行的各抗震规范关于地下结构地震力的计算方法及要求，介绍了一种适用于浅埋地下结构的抗震设计计算方法，并对某机场下穿通道工程中的地下刚构结构进行了抗震计算分析。2地下结构抗震设计的现状2.1地下结构地震力计算基本方法当前我国地下结构的抗震分析主要采用两种方法，即地震系数法和反应位移法，这两种方法均属于静力法。地震系数法的基本出发点是，认为地震对地下结构的作用主要包括两部分，一是结构及其覆盖重量产生的与地表地震加速度成比例的惯性力，二是地震引起的主动侧压力增量。一般认为，地震系数法用于下面两种情况较为适宜，一是地下结构与地面建、构筑物合建，即作为上部结构的基础时；二是当与围岩的重量相比，结构自身的重量较大时（例如防护等级特别高的抗暴结构）。反应位移法的特点是以地下结构所在位置的地层位移作为地震对结构作用的输入，当结构自身的重量比围岩重量轻，地震时几乎与围岩一同变形。这时，作为地震对结构的作用，随围岩一同产生的变形的影响是主要的，惯性力的影响则可以忽略不计[1]。目前地下结构抗震计算多采用静力法，即把随时间变化的应力状态等代为静止的计算方法，认为地震对结构的影响只是作用于构件重心处的惯性力。该方法计算简单方便，由于精确的动力计算方法尚有待进一步探索研究，故目前大多仍沿用以往的静力法计算。2.2各规范关于地下结构（隧道）地震力计算的规定迄今为止我国还没有独立的地下结构抗震设计规范，现行的《公路工程抗震设计规范》、《铁路工程抗震设计规范》均规定采用地震系数法计算隧道衬砌和明洞上任一质点的地震力；《核电厂抗震设计规范》规定采用反应位移法来计算地下式结构的地震力。我国其他抗震设计规范很少或没有对地下结构抗震做出规定和说明。《公路工程抗震设计规范》规定新建和改建各级公路的山岭隧道衬砌和明洞上任一计算质点的水平地震荷载，应按下式计算[2]:Eih=CiCzKhGisEih:水平地震荷载（KN）；Ci:重要性修正系数，按表1.0.4采用；Cz:综合影响系数，岩石地基采用0.2，其它采用0.25Kh:水平地震系数，按表1.0.7采用；Gis:构造物计算点的重力或计算土柱的重力（KN）。《铁路工程抗震设计规范》关于地震力的计算与《公路工程抗震设计规范》的规定相似。《核电厂抗震设计规范》第7.2.2条规定对于地下式结构宜采用反应位移法进行地震反应计算，地下结构周围地基的作用均可采用集中弹簧进行模拟，反应位移法的基本方程如下：[K]{U}+[KS]({U}-{US})={F}式中[K]——结构刚度阵，可将结构看作梁单元的集合计算确定；[KS]——地基弹簧刚度阵，每一节点含压缩和剪切两个分量；{F}——作用于结构的等效地震作用，包括结构和设备的地震惯性力和地震动水压力以及结构顶面和底面所受到的剪力；{U}——待求的结构地震位移；{US}——输入的地基地震位移。{F}中所含的地震惯性力可按等效静力法进行计算，设计地震加速度等于地基土层地震加速度在结构高程范围内的平均值。顶面剪力可按地基土层相应高程上的地震剪应力进行换算，底面剪力等于地震惯性力(含地震动水压力)与顶面剪力之和。{F}应为一自身平衡力系[3]。对于软土浅埋地下结构，目前没有较为成熟且适合实际工程应用的抗震设计方法。已有的可以参考的规范大多只给出了较为笼统的规定或者设计理论相对陈旧，其原因主要是研究工作开展不够，对地下结构抗震设计方法缺少系统研究。3计算分析3.1工程概况某机场货运通道下穿飞机滑行道，设置一座滑行道桥，其上可供F类飞机滑行。滑行道桥采用双孔箱涵结构，计算净宽2x11m、净高11.1m，顶板采用C50预应力混凝土结构，侧墙及底板采用C40钢筋混凝土结构，桥面铺装为42cm的混凝土+40cm的水稳层。桥上活载：F类飞机荷载，最大滑行重量为592t。箱涵结构横断面如图1示。图1箱涵结构横断面（单位：cm）工程场地地貌以岩溶地貌为主，勘察钻孔揭露的地层由上至下依次为第四系植物层（Q4pd）、第四系全新统填土层（Q4ml）、第四系坡洪积层（Q4dl+pl）、第四系残坡积层（Q4el+dl）、泥盆系上统宰格组白云岩（D3z）及F102断层角砾岩。结构基底位于强风化角砾岩层，地基条件相对较好。该区地下水埋深大于30m，变幅小于20m，箱涵位于设防水位以上。场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.3g。3.2地震力计算根据机场飞行区工程地下结构的特点，拟参考《公路工程抗震设计规范》进行地震力计算。地震力计算主要包括三个部分，一是直接作用于结构上的地震惯性荷载，二是由于地震作用弓I起的主动土压力及水压力的增大，三是另侧的水平抵抗反力[4]。地震力计算模型如图2所示。图2地震力计算模型地震荷载分为水平地震荷载和垂向地震荷载。水平地震荷载包括3部分：主体构件由于自身的质量产生的水平惯性力FE1;结构上覆土水平惯性力（包括底板上压重）FE2;地震土压力ei;FE1、FE2可按下列公式计算：式中G、GE分别表示结构自重和结构上覆土重（包括底板上压重）。地震土压力ei假定一侧为主动土压力，另一侧为被动土压力。①地震时作用在结构单侧（设向左侧）的主动土压力为：则向左的合力为：②被动土压力（向右侧）为：向右总抵抗反力为：当向右总抵抗反力大于向左合力时，实际的抵抗反力为：垂向地震荷载包括2部分：主体构件由于自身的质量产生的垂向惯性力FEV1;结构上方土柱的垂向惯性力（包括底板上压重）FEV2。FEV1、FEV2可按下列公式计算：3.3结构整体计算分析采用有限元计算程序MIDASCIVIL建立整体模型，用梁单元模拟箱涵结构。用节点弹性支撑模拟地基土对结构的作用，仅在底板各节点施加节点弹性支撑进行竖向约束，地基土的反力系数取40000kN/m3；顶板及侧墙不考虑结构与土的相互作用。节点弹性支撑如图3所示：图3用节点弹性支撑模拟土弹簧按上述方法分别手动计算顶板、底板及侧墙受到的地震力，将得出的地震力作为静力（偶然荷载）以梁单元荷载的形式施加到结构模型上，其他恒载和可变荷载等按照有关规定计算。结构各控制截面在不同荷载工况下的弯矩如表1所示：表1弯矩统计表（单位：kN・m）荷载工况恒载土侧压力飞机荷载地震作用顶板跨中421.1-88.11049.9-106.4边墙支点-165.5-234.2-438.4-324.8中墙支点-921.6174.8-933.9105.6底板跨中-622.6117.3-54727.7边墙支点91.8256103180.3中墙支点718.5-78.6577-76结构在基本组合作用下和偶然组合作用下的弯矩、剪力图如图4~图7所示：图4基本组合下弯矩图图5基本组合下剪力图图6偶然组合下弯矩图图7偶然组合下剪力图结构各控制截面在不同荷载组合下的弯矩如表2所示：表2荷载组合（单位：kN・m）组合基本组合偶然组合顶板跨中1887.08226.6边墙支点-1140.24-724.5中墙支点-2238.58-641.2底板跨中-1395.62-477.6边墙支点612.76528.1中墙支点1591.4563.9如表1所示，顶、底板边墙支点处地震荷载作用下的弯矩接近恒载作用下弯矩的2倍，可见对于一般的软土浅埋地下结构，在工程设计中考虑地震荷载的作用是十分必要的。本工程中的刚构结构需承受飞机荷载的作用，由于飞机荷载比公路或铁路工程中的活荷载都大的多，飞机荷载的作用效应显著大于其他荷载的作用效应，因此该刚构结构具有较高的承载能力，如表2所示，在进行承载能力极限状态验算时，各验算截面均为基本组合起控制作用。4结语对于一般的软土浅埋地下结构，尤其在抗震设防烈度较高的地区，在工程设计中应该考虑地震荷载的作用。机场工程中的滑行道桥通常