干式连接分片预制装配式综合管廊的地震响应分析

潘钦锋，许立英，郭瑞，苏丹凤，苏福庆

(1.福建工程学院土木工程学院，福建 福州 350116；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；3.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；4.厦门中亚联合建设工程有限公司，福建 厦门 361000；5.福建梓诺建筑工程有限公司，福建 厦门 361000)

地下综合管廊作为“生命线”工程之一，其建设具有提高地面空间利用率、美化城市景观、便于合理布置、维护城市管线等特点[1]。近年来，我国为发展城市地下综合管廊的建设，在全国36个大中城市开展了地下综合管廊建设的试点工程项目，旨在切实解决“空中蜘蛛网”“马路拉链”等问题。

国内外地下结构数量呈持续增长的趋势，而地下结构的灾害亦随之频繁出现，使得地下结构如综合管廊的抗震问题逐渐受到地震行业工作者的重视。综合管廊的抗震研究方法主要包括原型观测法、模型试验法、拟静力法和数值模拟法，国内外学者们亦由此展开了大量研究[2-6]。张博华等[7]通过MIDAS建立了地下管廊十字交叉节点三维模型，分析了交叉管廊在地震作用下的层间位移角及结构受力变化规律。严涛等[8]设计了一种运用钢筋环扣连接技术的装配式综合管廊，并对其角部不利节点进行抗弯模型试验，研究了节点的受弯破坏特征和力学性能。李正英等[9]通过对6个足尺墙板节点进行低周往复荷载下的模型试验，研究了应用墩头锚固钢筋技术的地下综合管廊墙板节点的抗震性能。然而，直至目前，国内外对干式连接的分片装配式综合管廊结构在地震动作用下的受力模式却鲜有研究。

另一方面，在综合管廊抗震设计中，我国最常用的是有限元法和反应位移法，但由于反应位移法无法考虑土体-结构间相互作用、难以确定地基弹簧参数等问题，易导致结构受力计算出现较大偏差[10]。而有限元法则可相对真实地反映综合管廊与周围土体的受力状态，进行结构应力及变形的时间历程分析，适用性较强[11-12]，故采用有限元法输入实际地震动对分片装配式综合管廊的动力响应进行分析是必要的。

为此，本文以福建省某干式连接分片预制装配式综合管廊为工程实例，通过有限元软件ABAQUS建立土体-综合管廊的三维模型，选取3条不同频谱特性的地震波，并依次按照多遇地震、设防地震和罕遇地震条件进行调幅，采用时程分析法探讨不同地震动作用对综合管廊的结构受力及变形的影响规律。

1 数值模型的建立

1.1 工程概况

本工程全长为35.5 km，其中浅槽段为16.4 km，区间结构宽度为10.3 m，底板埋深为8.25～10.25 m，顶板上覆土为2～4 m，场平标高2.123～24.66 m。本工程浅槽段区间采用明挖预制法施工，部分采用明挖现浇法施工。勘察期间在场地及钻孔内未发现对工程安全有影响的任何不良地质作用。主体结构为单层双跨框架结构，结构高度为6.05 m，结构宽度为10.3 m，顶板、底板、侧墙厚度为0.5 m，中隔墙厚度为0.4 m。预制标准节段的断面如图1所示。

图1 预制标准节段断面图Fig.1 Illustration of prefabricated standard segment in cross section

地下结构的整体设计使用年限为100年，区间结构安全等级为一级，钢筋混凝土构件裂缝控制等级为三级。根据我国相关规范[13-14]，拟建场区的抗震设防烈度为7度，设防类别划为重点设防类，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震为第3组，并按照8度采取相应的抗震构造措施。该综合管廊采用预应力连接分片预制装配的方式制作、运输和拼接，预应力螺纹钢的公称直径为40 mm，强度标准值约为1 230 MPa。普通钢筋等级为HPB300级、HRB400级两种。混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10。

1.2 数值模型

1.2.1 单元类型及材料参数

土体、混凝土和钢垫块采用C3D8R单元，普通钢筋、预应力钢筋则均采用T3D2单元，其中钢垫块是用来确保预应力有效传递至混凝土构件，同时避免应力集中以提高模型收敛性。

土体的本构关系采用Mohr-Coulomb模型，该模型是岩土工程领域的代表模型之一，具有物理概念明确、参数类型相对较少等特点，结合勘察报告，土体的材料参数输入见表1。混凝土采用塑性损伤模型，其材料参数输入详见表2，钢材则采用理想弹塑性本构模型，具体参见文献[15]进行计算。此外，为更贴近实际效果，采用降温法来模拟张拉预应力筋后产生的预压应力，其主要通过热胀冷缩的方式来施加预压应力的数值。经计算，本模型初始温度场的温度设为370 ℃，之后温度降低至0 ℃。

表1 土体材料参数Tab.1 Material properties of soil

表2 混凝土材料参数Tab.2 Material properties of concrete

1.2.2 地震波选取

基于地震动反应谱与设计谱统计意义一致的原则，在满足现行抗震设计规范对地震动强度、持时及频谱特性条件下，选取了EI Centro、Vrancea和Ferdows地震波，其加速度时程曲线如图2所示。并且，根据抗震规范规定的多遇地震、设防地震以及罕遇地震要求，对这3条地震波的加速度时程分别进行调幅，最后通过底部一致激励的方式，沿土体水平方向依次输入地震波至模型中。

时间/s(a) EI Centro地震波

1.2.3 相互作用及网格划分

土体与综合管廊之间采用“面与面接触”，接触跟踪方法为“有限滑动”，在接触面的属性设置中，法向行为选择“硬接触”，同时选择“摩擦”模型模拟接触面的切向行为，摩擦系数取0.3。钢筋与混凝土之间选用“内嵌”的方式。预应力筋与钢垫块之间的接触采用“MPC约束法”，钢绞线两端点与钢板中心选择“BEAM”接触。装配式混凝土拼接面的切向行为定义为“罚”，摩擦系数设为0.6，而法向行为设为“硬接触”。本文土体采用的人工边界为一致黏弹性边界条件。

关于三维模型网格的划分，土体靠近结构时的网格尺寸为1 m，相对远离结构的土体单元尺寸为2 m；普通钢筋是桁架单元，即有且只有一个方向，故将沿长度方向的单元尺寸设为0.2 m；装配式预制综合管廊是本体系动力分析的重点，需要采用相对较小的网格尺寸，沿结构轴向和高度方向的网格尺寸同设为0.2 m，如图3所示。

图3 有限元模型网格划分Fig.3 Mesh divisionof finite element model

2 结果与分析

为便于模型输出计算结果，并对比和分析综合管廊在不同地震作用下的地震响应，该有限元模型共设置了8个监测点，见图4。

图4 管廊横截面监测点Fig.4 Monitoring points of utility tunnel in cross section

2.1 应力响应分析

因受篇幅限制，本文以各地震波在设防地震工况下的最大主应力云图对比为例，如图5所示。我国规范的C50混凝土抗拉、抗压强度标准值为2.64，32.4 MPa，而所有工况中的最大主拉、压应力数值均低于该数值，满足规范要求，在地震作用下不会出现混凝土受力开裂、压溃等现象。

此外，在不同地震波作用下，监测点A、C、F、H位置附近的最大主应力值普遍大于其他监测点的最大主应力值。其中，结构整体的最大主拉应力主要集中在侧墙与顶板连接位置的外侧，同时这一定程度上也验证了文献[16]的试验研究结果的准确性。就结构的最大主压应力而言，主要集中在侧墙与顶、底连接位置的内侧，即腋角区域，这可能是因为构件尺寸的变化导致了轻微的应力集中现象，但这与不带腋角的综合管廊相比，应力集中程度已大大降低。因此，在地震波作用下，综合管廊结构角部的外、内侧分别承受了较大的主拉、压应力，在地震作用下的破坏损伤可能性最高。

(a) EI Centro地震波

2.2 加速度响应分析

按照监测点位置依次导出加速度时程曲线，并提取各点在不同工况条件下的加速度响应峰值，汇总见表3。经对比可知，不同地震波作用下综合管廊结构的加速度响应有明显差异，这说明了在有限元分析时选取合适地震动输入的重要性。其中，EI Centro地震波对结构的动力作用最为明显，可将其作为典型地震动进行地下结构的抗震设计。

表3 管廊各监测点的加速度响应峰值Tab.3 Maximum acceleration response for each monitoring point of utility tunnel m·s-2

此外，在多遇地震、设防地震工况条件下，随着结构埋深的减少，综合管廊的加速度响应呈不断增大的趋势；然而，在罕遇地震工况条件下，对应的加速度响应变化趋势却恰好相反，即此时结构的加速度峰值出现位置由顶板转向底板。但它们的增幅则受地震波类型的影响较大，加速度放大效应随着地震动强度的增加而增大。这也意味着，管廊侧墙和中隔墙的加速度响应较小，且其均未出现加速度放大效应，而管廊的顶、底板因加速度响应较大，可能成为结构的薄弱环节，尤其是在罕遇地震作用下容易出现破坏。

2.3 相对位移响应分析

为进一步了解管廊在不同工况条件下的相对位移响应变化之间的规律，取各工况下监测点B、G和监测点D、E的位移大小作差，分别得到顶、底板相对位移和侧墙相对位移，其计算结果如图6所示。可见，顶、底板的相对位移与地震工况条件几乎无关，均约为3.6 cm，而侧墙与中隔墙的相对位移会随着地震强度的增强而增大，但其最大值仍远远低于顶、底板的相对位移。为此，结合2.2节、2.3节分析内容可知，预应力筋拼接位置在地震过程中具有良好的受力、变形性能。

地震工况(a) EI Centro地震波

同时，监测点B和监测点G的最大水平位移之差与结构侧墙高度的比值称为剪切角，用该参数来表示管廊结构整体的剪切变形。经计算，在EI Centro地震波作用下各工况对应的剪切角依次为0.003 70，0.001 11，0.004 15；同理，Vrancea地震波作用下，对应的剪切角依次为0.001 97，0.002 00和0.002 68；Ferdows地震波作用下，3种工况对应的剪切角依次为0.000 05，0.000 99和0.002 45。可见，本文选取的3条地震动曲线输入的剪切角计算结果，均满足我国规范要求，表明该预应力筋连接的上、下分片预制综合管廊的抗震性能良好。

3 结论

(1)在横向地震波作用下，综合管廊角部的外、内侧分别承受了较大的主拉、压应力，属于结构的薄弱环节，在抗震设计过程中应予以重视。

(2) 在多遇地震、设防地震工况条件下，管廊的加速度响应随结构埋深的减小而增大，但在罕遇地震工况下的趋势恰好相反。其中，在EI Centro地震动激励下，综合管廊结构所受的加速度放大效应最为明显。

(3) 在不同地震工况下，管廊顶、底板间的相对位移几乎不变，而侧墙间的相对位移随地震强度的增加而增大，且该装配式综合管廊的剪切角满足我国规范设计要求。