装配式混凝土箱型通道抗震响应计算分析

熊永松， 王 鹏， 周小伍

(1.荆州市公路事业发展中心，湖北 荆州 434100；2.荆州市五维公路勘察设计有限公司，湖北 荆州 434020；3.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

装配式混凝土通道是近年来兴起的一种新型结构。装配式混凝土通道分为两种结构型式，一种是管型通道；另一种是箱型通道。而箱型通道抗震分析目前还处于研究空白阶段。因此有必要研究装配式混凝土箱型通道抗震响应分析及抗震性能。

当前，国内外对装配式管型通道研究较多，而对装配式箱型通道研究较少。王建国等[1]开展了装配式混凝土管型通道的现场试验研究。何淳健[2]计算了装配式混凝土管型通道的土压力和结构内力。许庆虎[3]研究了装配式混凝土管型通道在车辆和恒载作用下的受力特性。颜丹青等[4]建立了精确的装配式钢筋混凝土管型通道的有限元计算模型。

鉴于国内外对装配式箱型通道研究较少的情况，本文采用通用有限元分析软件ANSYS，建立了箱型通道及土体的整体抗震有限元分析模型，充分考虑地震作用下通道与土体的相互作用，获得了箱型通道在地震波作用的受力状态和位移响应计算结果，为今后大规模应用装配式箱型通道提供了抗震计算依据。

1 装配式混凝土箱型通道设计

装配式箱型通道可采用标准化设计，由顶板、侧墙、底板组成。顶板、侧墙通过工厂预制、现场拼接完成组装。顶板与侧墙之间的连接方式为铰接。底板通过现浇方式完成安装。箱型通道结构尺寸断面图如图1所示，箱型通道上部的填土厚度为77 cm。

图1 装配式混凝土箱型通道结构尺寸图(单位：mm)

通道洞身材料为C40抗硫酸盐混凝土，通道下方为15 cm厚的C30混凝土垫层，混凝土垫层下方为70～120 cm厚的换填垫石层。箱型通道的钢筋面积配筋率见表1。

表1 6 m×3.5 m通道钢筋面积配筋率表

2 装配式箱型通道实体有限元模型

2.1 划分单元

根据选定的计算域进行几何建模，并将土体划分为地基土和回填土两部分。土体部分选用SOLID 45单元，箱型通道选用SOLID 65单元。按照图1的参数对几何模型定义材料属性，并划分网格。

网格划分的密集程度通常与计算结果成正比，但若网格划分过度密集会导致计算量和计算时间大大增加，且计算精度无明显提高[5]。考虑到计算量与计算精度，本文中的网格尺寸在X方向取0.3 m，在Y方向取0.3 m，在Z方向取0.6 m。

有限元模型及网格划分如图2所示。

图2 通道有限元模型及其与土体的整体有限元模型

2.2 确定计算区域

地下结构由于其特殊性，在对其进行有限元计算时不仅要对箱形通道进行建模，还需要考虑到周围的土体。实际工作中，不可能做到对周围无限土体进行完全模拟，需要选择一个合理的计算区域。如果计算域范围选得过大，虽然可以保证计算结果更接近实际，但是会大大增加程序计算量，消耗太多的计算时间；如果计算域范围选得过小，会使得计算结果偏离实际。产生较大误差。

基于以上理由，取30 m为计算区域宽度，地基土深度为8 m，通道顶回填土深度为0.77 m。选择一节箱型通道进行计算，计算域长度取3 m。

2.3 建立接触对

通道处在地下，被土体包围，周围土体不只是外荷载，还对通道在地震作用下产生的变形有约束作用，因此需要考虑土体和通道之间的相互作用。通过在接触面上建立接触单元来达到这一目的[6]。本文选用三维面-面接触单元(CONTAC 173单元和TARGET 170单元)对其进行模拟。

由于混凝土材料的刚度远大于周围土体材料的刚度，故选择土体边界面为接触面，通道外侧边界面为目标面，分别在两边界面上设置CONTAC 173单元和TARGET 170单元，并通过编号控制形成接触对[7]。

图3 目标单元TARGET 170和接触单元CONTAC 173

2.4 约束条件

地基土体底部边界设置固定约束，约束各个方向的位移和转角。左右两侧边界上设置固定约束。前后边界面上约束Z方向的自由度。填土的顶面及通道的内表面按自由边界处理。

3 装配式箱型通道地震响应分析

本次抗震分析采用通用有限元分析软件ANSYS，计算方法选择动力时程分析法。首先对土体-结构体系进行建模，处理好通道与土体的接触以及顶板与侧墙的接触，然后确定合适的边界条件，选择适当的地震波数据，最后计算整个体系在选定地震波作用下的动力响应。

3.1 地震波的选择

在用时程分析法对结构进行抗震分析时，所得到的计算结果不仅与结构的动力特性、弹塑性变形性质、变形能力有关，很大程度上还取决于输入地震波的特性(幅值大小、频谱特性、持续时间等)[8]。对于同一个结构，选择不同的地震波数据，可能会使计算结果产生较大的偏差[9]。

根据《公路工程抗震规范》(JTG B02-2013)[10]第3.2.1和3.2.2条，本次计算的装配式箱型通道属于高速公路的工程构筑物，拟建工程所在区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，对应的抗震设防烈度为Ⅵ度，场地类别为Ⅱ类。因此建筑物所在地为建设的一般场地，属于一般工程，其抗震设防目标应为：建筑物在E1地震作用下[11]经一般整修或短期抢修即可恢复正常使用，抗震重要性修正系数Ci取1.3。

3.2 装配式箱型通道地震响应结果

对于6 m×3.5 m通道，根据《公路工程抗震规范》(JTG B02-2013)第3.4.1条，采用永久作用+地震作用组合，包括结构重力、土压力、结构地震响应和地震土压力等，通过叠加获得通道的横向位移与横向应力。取通道顶板跨中、底板跨中、铰缝上圆弧、铰缝下圆弧、顶板与侧板的交界、底板与侧板的交界共12个关键点来观测横向位移与横向应力。所取的12个点位置如图4所示。6 m×3.5 m通道在地震和重力共同作用下12个观测点的最大横向位移和最大横向应力见表2。

图4 应力与位移观测点位置

表2 6 m×3.5 m通道最大横向位移和最大横向应力

在永久作用和地震作用组合下，6 m×3.5 m通道顶板横向位移峰值为20.9 mm，底板横向位移峰值为15.4 mm，左墙铰缝处横向位移峰值为18.9 mm，右墙铰缝处横向位移峰值为18.4 mm，左墙铰缝上下圆弧横向相对位移为1.19 mm，右墙铰缝上下圆弧横向相对位移为1.53 mm。以上说明顶板和侧墙的整体性较好，变形基本一致。而且，在铰缝处顶板和侧墙之间的相对位移很小，在地震作用下接触良好，顶板不会发生从侧墙落下的震害。

进一步对各节点的水平方向位移时程曲线进行对比分析可以发现：12个节点处的水平方向位移时程曲线重合性较好，这说明箱型通道具有刚度较大、整体性较好的优点。由于周围土体的约束作用，箱形通道在地震作用下的位移基本呈现整体协调运动，各节点处的水平方向位移趋势和位移峰值基本相同，差异较小。

对各节点横向应力时程曲线进行比较，可以看出顶板跨中处的拉应力最大，为0.27 MPa，顶板与侧墙交界处的压应力最大，为1.51 MPa，均远小于混凝土的抗拉和抗压强度，结构地震安全性良好。

4 结 论

(1)箱型通道各关键节点在地震作用下的最大横向绝对位移为15～20 mm；底板和侧墙之间接缝位置处的最大横向相对位移为2 mm左右，说明顶板和侧墙的整体性较好，变形基本一致。而且，在铰缝处顶板和侧墙之间的相对位移很小，在地震作用下通道结构与土体接触良好，顶板不会发生从侧墙落下的震害。

(2)箱型通道在E1地震作用时各节点处的水平方向位移时程曲线重合性较好，表明箱型通道具有刚度较大，整体性较好的优点。

(3)箱型通道顶板跨中处的拉应力最大，为0.3 MPa左右；顶板与侧墙交界处的压应力最大，为1.5 MPa左右，表明箱型通道在E1地震作用下结构处于弹性状态，能够满足经一般整修可正常使用的抗震设防目标。