装配式城市综合管廊结构抗震性能分析

李 妍 孟志颖

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

我国现行规范及相关设计准则对于综合管廊抗震设计的提及相对较少，在抗震设计中，综合管廊的抗震设计多依照地铁车站等地下结构的相应规范，如多数在抗震设计时参考《建筑抗震设计规范GB50011—2010》中针对地下建筑进行抗震设计。我国对于装配式综合管廊的的结构设计主要参照《装配式混凝土结构技术规程JGJ1—2014》，此规程在结构设计时仅考虑在静力学层面，并未大篇幅考虑抗震设计。在《城市轨道交通结构抗震设计规范GB50909—2014》中，规范明确指出了地下结构必须进行抗震设计[1-3]。我国近年来也不断地在进行装配式综合管廊的研究工作。同济大学薛伟辰等人是国内第一批对装配式综合管廊结构进行研究的团队，其团队以上海世博会装配式综合管廊为模型，对综合管廊的破坏形式、结构内力分布、极限状态下的承载力及结构抗变形承载力等进行了详细的研究。但研究的工作重心是结构的静力分析，对于结构动力学并未过多提及。我国的装配式城市综合管廊施工技术有将现浇混凝土和预制混凝土构件浇筑结合的半预制技术，将预制好的混凝土块体利用专门设备拼装的预制节段拼装技术、减少吊重便于运输的分块预制拼装技术以及侧板和顶板采用叠合结构的叠合整体式预制拼装技术和盾构法与顶管施工技术。其各技术都相对成熟，且优点突出,与传统的全现浇技术大大不同。无论在水平方向还是在竖直方向的连接都更加安全可靠，适用于各种基础的管道廊道施工。装配式综合管廊在施工时间、质量、经济、难度等方面都具有巨大的优势。大幅度提高了管廊建设效率，已成为现代化城市建设的首要选择，极大的改善了人们的居住舒适度和城市承载力。

1 装配式综合管廊工况分析

文章主要研究预制装配式综合管廊结构的抗震性能，通过有限元软件ABAQUS对两种尺寸的装配式综合管廊进行数值模拟分析，以探讨装配式综合管廊的抗震性能及增大尺寸来方便检修的综合管廊对其抗震性能的影响[4]。

2 管廊模型的选取与设计

装配式管廊截面形状主要有方形和圆形两大类。圆形截面虽然具有良好的受力性能，但是其在空间利用上远不如方形管廊，因为方形管廊在连接形式与连接效果和通行方面更具优势，已经成为城市综合管廊的主要截面类型。因此本次模拟采用方形截面管廊（如图1所示）。

图1 文章中模拟的综合管廊示意图

2.1 材料属性

参考相关规范规定此预制装配式管廊采用C60高强混凝土，弹性模量为3.65×104MPa，泊松比为0.167，密度为2450kg/m3混凝土。配筋选用直径分别为18mm与20mm的HRB400级钢筋，弹性模量为2.05×102MPa,泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

2.2 受荷计算

计算此次模拟所用荷载时，根据实际工况管廊埋深2m，考虑道路车辆等荷载，进行荷载计算。其中，管廊结构上的作用包括以下几个部分:

1）永久荷载:土压力、结构主体及收容管线自重、预应力等

2）可变荷载:人群荷载、地面车辆荷载、冻胀力、水压力等（对于雪荷载、风荷载，因管廊属于地下结构，受雪、风荷载影响较小，本论文不予考虑。）

3）荷载组合:采用恒荷载+活荷载。

综合管廊所受荷载计算如图2所示。

图2 综合管廊受荷载示意图

3 数值模拟

3.1 数值模拟方法——有限单元法

有限单元法的分析是指将整体连续的结构离散成多个小型有限单元，并且每一个有限单元通过软件设定有限多个节点，再将整体连续的结构看做是在设定的单元节点处相互连接的一组单元的集合结构。然后用每个单元内所假设的近似插值函数，在选定的场函数分区域来表示在所有求解域内的基本未知量。进而利用力学上的等效变分原理或加权余量法去建立用以求解基本未知量的代数方程组或常微分方程组，从而将一个节点连续结构的无限自由度问题转化成为离散域中的自由度问题。

3.2 建模得到的管廊有限元模型

管廊模型选用方形管廊，管廊的尺寸分别为GL1:长3000mm、宽2000mm、高2600mm和GL2:长3500mm、宽2000mm、高3200mm，壁厚均为300mm,带有企口200mm和可以允许工人正常穿行，如图3所示[5-6]。

图3 管廊有限元模型

3.3 网格的划分及加载方式

1）网格划分是进行有限元分析非常重要的一步，网格划分的情况对最终分析结果的精度有很大的影响，一般来说网格越密，计算结果就越接近真实结果，但相应的计算时间也会因此变得更长，而降低了计算效率。因此本次模拟对模型进行了合理的切割平面来更好地方便模型的计算与分析，网格划分密度为100mm，混凝土单元类型为C3D8R,钢筋单元类型为桁架单元T3D2，网格划分如图4所示。

图4 有限元模型网格划分

2）本次模型共2个分析步，初始定义的分析步为预制管廊受顶部荷载与水平土压力的作用，钢筋与管廊混凝土的关系为钢筋内置，各接触面接触关系稳定。第二个分析步为通过编辑位移幅值的方法在水平方向施加位移往复荷载（如图5所示）。

图5 水平加载方式

3.4 数值模拟结果分析

经数值分析作业后，两种尺寸的管廊可视化结果如图6所示。

从整体变形图中可以看出，两种尺寸的管廊在相应的顶部荷载与水平荷载作用下，其变形位置与变形程度均无明显差异。

由模拟结果可以得出，随着荷载的逐渐增大，预制管廊从两侧顶部开始出现破坏，随着荷载地继续增大，预制管廊顶部也随之出现破坏，直至出现较轻的的弯曲变形。由图6可以看出，预制管廊模型中出现应力最大的位置为管廊前后的接头位置，为抗震设计时需考虑的关键部位[7]。

图6 有限元分析模拟图

对两个预制综合管廊模型施加低周往复荷载得到的滞回曲线如图7所示，本预制管廊模型未考虑钢筋的滑移因素，因此本模型的滞回曲线未产生捏缩现象，表现为较为饱满的近似梭形的形态。在往复荷载作用下，模型的塑性损伤逐渐增大，刚度逐渐退化，承载能力随之下降，由此可以得出此预制管廊模型的抗震性能较稳定，耗能能力较好。通过对比分析，GL1与GL2相比具有较好的承载能力与抗震性能,但影响较小，在实际工况中可以适当选择较大尺寸的管廊来解决施工修检工作[8]。

图7 滞回曲线

4 结语

文章通过对预制装配式城市综合管廊的在实际工况下的抗震性能数值模拟分析及在加大尺寸方便检修的情况下对综合管廊抗震性能的对比，得到模拟图像及绘制其滞回曲线，分析得出以下结论:

1）在实际工况下，预制综合管廊模型的应力分布情况均匀，结构安全可靠。可作为预制综合管廊抗震研究的对象。预制综合管廊模型的最大应力位置为管廊前后的接头部位，在管廊结构抗震设计时，应重点考虑接头部位。

2）通过观察两个预制管廊模型得出的滞回曲线，出现刚度退化，具有一定的耗能能力，本次模型未考虑钢筋的滑移因素，故曲线形态较为饱满。对比分析两个管廊的滞回曲线可以得出，与尺寸较大管廊(GL2)相比，尺寸较小管廊(GL1)，抗震性能较好，但对实际工况影响不大，故在实际工况中，可以通过适当加大预制综合管廊的尺寸来解决方便后期施工检修的工作。