折线型预制式管廊地震稳定性分析

折线型预制式管廊地震稳定性分析

0地下空间及管线的管廊效应综合管理走廊是利用地下公共管理的地下连续结构，集中配置供水、排水、能源、电信等管道及其下属设备，充分利用地下空间资源。许多学者通过振动台模型试验和有限元数值计算方法开展了有关管廊在地震荷载作用下的响应规律的研究工作。如:冯立等1项目总结1.1管廊预制件使用方式西安市纬一路段地下综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),管廊结构采用预制装配式和现浇式综合使用的方式。施工时,首先安装预制管廊部件,其次管线变路径、变高程段采用现场浇筑的方式,同时管廊之间通过预应力锚栓纵向相邻式进行联接。管廊线路研究段工程地质剖面如图1所示。管廊是箱涵形式,结构截面整体呈现为矩形。管廊预制件横断面如图2所示。整体综合管廊结构所使用的混凝土强度等级为C40,混凝土抗渗等级为P6,钢筋等级为HRB400。1.2地震波相关参数对管廊在地震荷载作用下的有限元模拟进行研究,首先必须给出合理的地震波相关参数。通过综合考虑,动力计算输入的加速度时程依据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》2有限差分模拟2.1土体接触分析数值模拟计算中管廊埋深范围内黄土地层处于小变形范围,在小变形阶段,等效黏弹性模型可很好地反映动应力-应变的非线性及滞后性阻尼比为滞回圈的面积与骨架曲线以下与横坐标所围面积之比。土体阻尼比式中:λ按实测的阻尼比与动应变关系拟合材料的最大阻尼比,取试验的下包线确定材料的最大阻尼比。采用Hardin建议的双曲线模型对动剪切模量进行预测,相应的动剪切模量式(2)—(3)中:G在有限元计算中,土体的率相关特性采用Kelvin黏弹性本构关系进行描述,其具体的本构关系为式中:σ为更合理地反映实际工程情况,在有限元计算中考虑了结构与土体的接触特性,即通过建立两者之间的接触面来反映相互影响的特性,其中接触面计算模型采用罚函数方法进行计算,切向摩擦接触关系采用库仑摩擦模型进行计算,接触劲度矩阵方程如式(5)所示。式中:K动力计算采用完全非线性方法,求解所有运动方程。动力分析的运动方程如式(6)所示。式中:m为节点集中质量;c为黏滞阻尼系数;f2.2管廊模拟区域为反映实际工程建设中的2种预制式综合管廊形式,本次模拟计算中选取了研究区域内具有代表性的2段,即有高程变化的折线管廊(折线型)三维有限元计算模型和无高程变化的直线管廊(直线型)三维有限元计算模型。管廊模拟区域如图6(a)和6(b)所示。模型整体取8节管廊预制件,管廊预制件间有预应力锚栓固定连接,锚栓长度为1.5m。在转弯处采用现场浇筑方式施工,以提高构件的承载能力。管廊拼装及连接构造如图6(c)和6(d)所示。管廊结构及土体使用六面体8节点实体单元进行网格划分,锚栓结构使用梁单元进行网格划分。管廊单元网格划分特征节点位置如图7所示。2.3数值计算参数选取在有限元动力计算时,模型四周将采用黏弹性阻尼边界在本文的研究对象中,预制箱涵管廊节段之间主要通过预应力锚栓进行连接,锚栓的性能是判断预制管廊节段连接是否良好的主要指标,且在动力计算中锚栓处最先发生应力响应。综合考虑在有限元计算中,主要涉及的材料参数分别为黄土地层参数、管廊混凝土材料参数、连接锚栓参数等。计算参数的确定主要依据建设单位所提供的参考值,其中,在管廊埋深范围内土层主要为黄土。黄土动力计算参数取值如表1所示。管廊结构为钢筋混凝土材料,通过已有的研究成果表明,混凝土材料在动力条件下的变形是极小的通过初步计算,获得的管廊一阶模态振型如图8所示(变形放大4倍显示),其中直线及折线段管廊模型的固有频率均为2.9Hz。3数值计算结果的分析对有限元模型计算结果进行分析,得到了折线型和直线型预制式管廊结构、拼接缝、锚栓结构受到地震荷载作用时的响应特性。3.1管廊下底板的强度管廊竖向加速度最大值分布云图如图9所示。管廊竖向反应位移最大值分布云图如图10所示。由图9和图10可知:1)折线管廊在x轴(横向)、z轴(纵向)的最大水平位移分别为3.15cm和4.20cm,而2个最大值出现的位置分别在管廊埋深变化段靠近浅埋处和管廊埋深变化段靠近深埋处管廊底板附近,表明了管廊结构高程变化点为变形敏感点,在设计和施工中应重点加强此处底板的强度;2)折线管廊加速度在x轴(横向)的最大值为0.18m/s3.2折线管廊拼接缝的震后变形在地震荷载作用下,相对于直线管廊,折线管廊由于高程发生了明显的改变,其相邻管廊结构之间的拼接缝更易受到地震荷载的影响。折线段管廊接缝变形最大值云图如图14所示。分析可知:1)管廊接缝在地震中和地震后的张拉变形很小;2)横向和竖向滑移变形较大,其中横向水平滑移变形最大,且震后变形均大于地震过程中的变形。通过进一步处理,可得到折线管廊在地震过程中管廊拼接缝最大应力、应变值如下:最大张开位移为0.098cm,水平向最大剪应力为0.79MPa,竖向最大剪应力为0.48MPa,水平向滑移位移最大值为1.61cm,竖向滑移位移最大值为1.15cm。折线管廊不同峰值加速度下拼接缝位移如图15所示。综合来看,折线管廊拼接缝的变形不容忽视,应当在设计中将其作为重要的指标,从而提高地下综合管廊的整体抗震能力。3.3管廊结构损伤区域为了分析锚栓在受到地震荷载作用时的受力和损伤情况,选取折线管廊和直线管廊模型在峰值加速度为0.1g条件下的计算结果,即对混凝土在地震作用下发生的损伤进行分析。地震后管廊结构损伤区域分布如图16所示。可以看出:1)锚栓所受应力最大值未超过屈服应力,即未发生塑性破坏,表明该设计指标的合理性;2)直线管廊在地震作用下,锚栓受力变形均比折线段管廊要小,折线段管廊的损伤值比直线段管廊混凝土管节的损伤值更大,说明折线管廊更易受到地震荷载的影响,且折线管廊损伤主要发生在倾斜段的管节,其中多以拉伸损伤为主。因此,在整体抗震设计时,可以通过提高钢筋型号等措施来提升折线管廊倾斜段混凝土管节区域处的抗震能力。4管廊的地震响应问题1)地震荷载对不同线型管廊的影响有明显差别,折线管廊比直线管廊更易受到地震的影响,需在后续抗震设计中适当提高对折线段抗震设计的要求,以增强其抗震能力。2)在折线型管廊结构受到地震荷载作用时,张拉变形很小,而横向和竖向滑移变形较大,应当在施工和设计中予以重视。3)在地震后,折线段管廊比直线段管廊的混凝土管节更容易发生损伤,并且这种损伤主要发生在倾斜段管节处(拉伸损伤),可以通过提高该处混凝土的强度等措施来抵抗地震荷载。本文对不同线型预制箱涵管廊在地震作用下的结构、拼接缝设计的影响进行了