预制装配式箱涵结构地震响应影响因素分析

王 涛，李宁宁，赵旭东，于佳月，石建军，康玉梅

(1.中铁七局集团第三工程有限公司 西安市 710032； 2.东北大学 资源与土木工程学院 沈阳市 110819)

随着国家大力发展基础设施建设，管廊、涵洞等地下工程逐年增多。涵洞大多为埋置在填土下方的结构[1]，分为箱涵、盖板涵和管涵三种形式[2]。预制装配式箱涵因具有施工速度快、质量易于控制、节省材料等优势，已广泛应用于高速公路建设[3-5]。结构抗震的研究通常采用模型试验[6]、原型观测[7]以及数值模拟[8]三种方式，在涵洞结构抗震性能方面，很多学者进行了大量的研究。如张运良[9-10]结合实际工程，利用数值模拟研究了箱涵体系的抗震性能及其稳定性；刘世强[11]通过建立波纹钢涵洞的有限元模型，分析了其在地震作用以及车辆荷载作用下的内力与位移变化；唐垠斐等[12]通过建立波纹钢涵洞的有限元模型，研究了其在不同土体高度下的受力情况以及在地震作用下的动力响应。箱涵在地震作用下是一个动态过程，结构特性、场地条件、地震动特性以及埋深等都会影响到箱涵的地震响应，单一地根据土体或箱涵在地震中的变形来进行抗震设计是不准确的。依托吉林省白城市“大庆至广州高速公路双辽至嫩江联络线双辽至洮南段03A设计段”预制装配式箱涵项目，考虑箱涵不同埋深、地震动特性和顶板伸出长度三种因素，利用有限元软件ABAQUS对装配式箱涵结构地震响应的影响进行分析。

1 计算模型

1.1 工程概况

“03A设计段”线路全长25.702km，其中涵洞22道(含互通2道)，采用装配式钢筋混凝土箱型涵洞，有XTI-2×1.5、XTI-3×2.2和XTI-4×3三种形式。以XTI-4×3四构件组合结构为例，由顶板、底板和两侧墙组成，侧墙与全现浇混凝土底板连接，顶板与侧墙两接头铰接(图1)。

1.2 参数选取

依据该项目地质勘查报告，计算参数的选取如表1所示，这里假定各土层沿深度方向均匀分布。

为了考虑装配式箱涵中钢筋的作用，采用钢筋混凝土的等效弹性模量和容重来表示[13]。本工程混凝土强度等级为C40，密度为ρc=2500kg/m3，弹性模量为Ec=3.25×1010N/m2，泊松比为μc=0.2；钢筋采用HRB400级钢筋，密度为ρs=7850kg/m3，弹性模量为Es=2.0×1011N/m2，泊松比为μs=0.3。经计算，装配式箱涵等效密度为ρcs=2569kg/m3，等效弹性模量为Ecs=3.46×1010N/m2。

表1 土层基本参数

吉林省白城市的抗震烈度为7度，设计地震分组为第一组，地震加速度为0.1g。场地类别为二类，特征周期0.35s，罕遇地震下特征周期加0.05s。选取地震波为水平向EL-CENTRO波，时间间隔0.02s，峰值加速度0.3417g。地震波加载时间长度取20s，调整后的峰值为0.22g。

1.3 有限元模型

忽略涵洞的纵向影响，箱涵结构采用四节点平面应变全积分单元CPE4，土体采用四节点平面应变缩减积分单元CPE4R。在模拟土体与箱涵结构间的动力相互作用时，需考虑两者之间的摩擦接触，定义土体与箱涵结构之间接触表面的力学性能，建立方程，采用接触算法进行计算。其中土体与箱涵之间的法向接触选择“硬”接触，切向接触服从Coulomb定理，当接触面上剪应力大于摩擦力时，相对于箱涵，土体会产生切向滑动。建模时，土体的计算范围为长50m、宽30m，是结构尺寸的5～7倍，满足要求。建立粘弹性人工边界如图2所示。

混凝土阻尼比取0.05，进行模态分析，进而求得混凝土的阻尼系数α=0.3996，β=0.00583。

2 装配式箱涵地震响应影响因素分析

2.1 不同埋深

建立埋深分别为3m、4.5m、6m和7.5m的土体和箱涵结构有限元模型，测点位置见图3。

图4和图5分别给出了不同埋深箱涵结构测点的水平相对位移和竖向相对位移。埋深增大，箱涵水平相对位移和竖向相对位移也随之增大。顶板的竖向相对位移呈近似对称分布，先升高后降低，其中测点C的竖向位移增幅较大。可见，埋深对顶板中部的竖向位移有较大的影响。图6为不同埋深箱涵各测点的最大主应力。随着埋深的增加，各测点的最大主应力逐渐增大，箱涵应力集中部位变化较为显著。

2.2 不同地震动峰值

将地震动峰值等比例缩放至0.10g、0.22g、0.30g和0.40g，进行动力响应分析。测点位置同图3。

图7和图8给出了不同地震动峰值下测点的水平相对位移和竖向相对位移变化规律。随着峰值的增加，各测点的水平相对位移逐渐增大。地震动峰值从0.1g增至0.4g，测点的水平相对位移越来越大，而顶板竖向相对位移受地震动峰值的影响很小。竖向变形主要出现在顶板中部，随着地震动峰值的提高，竖向位移变化较小，几乎不变。图9反映出不同工况下箱涵结构的应力变化情况，应力集中部位大致相同，即顶板中部、顶板两侧角部以及侧墙内侧角部，最大主应力随地震动峰值的增加而增大。

2.3 不同箱涵顶板伸出长度

顶板伸出长度取100cm、105cm、110cm、115cm和120cm，等距取10个测点，如图10所示。

图11和图12给出了不同顶板伸出长度各测点水平位移和竖向位移变化规律。随顶板伸出长度的增加，侧墙的水平位移不断减少。当顶板伸出长度在110～115cm之间时，水平位移和竖向位移下降幅度均较大，抗震性能较好。提取各个测点的应力值，箱涵的最大主应力发展趋势如图13所示。随着顶板伸出长度的增大，各个测点最大主应力减小；顶板伸出长度在110～115cm时，应力变化幅度较大，抗震性能较好。

3 结论

主要研究了不同埋深、地震动峰值特性和顶板伸出长度对装配式箱涵结构地震响应的影响，结论如下：

(1)地震作用下装配式钢筋混凝土箱涵结构的水平相对位移随埋深增加而增大，地震作用主要对顶板中部的竖向相对位移有较大影响，最大主应力在3～7.5m的埋深范围内，增幅较大。

(2)随着地震动峰值的提高，最大主应力集中在顶板中部、顶板两侧角部和侧墙内侧角部，随着测点高度的增加，其水平相对位移增加幅度较大，但箱涵顶板竖向相对位移改变较小。

(3)顶板伸出长度越大，箱涵水平位移、竖向位移和最大主应力越小，当顶板伸出长度在110～115cm时，箱涵水平相对位移、竖向相对位移和最大主应力的下降幅度最大。