矩形波纹钢地下综合管廊结构抗震性能分析

2022-06-25周剑敏姬永红

城市道桥与防洪 2022年5期

周剑敏，张琪，姬永红

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

矩形波纹钢地下综合管廊具有诸多优势，如材质环保、工程造价低、施工速度快、重量轻等[1]。除此之外，与钢筋混凝土结构相比，波纹钢综合管廊更适用于地层条件较为复杂的建设环境。综合管廊作为城市重大生命线工程，除对其开展结构静力分析之外，应保证综合管廊本体结构在地震作用下的安全。因此，研究管廊结构抗震性能也至关重要。

地下综合管廊近似为线性地下结构。相关调查与研究表明，在地震作用下，地下结构与周边土体共同作用，结构与周围土体的位移、加速度基本相同[2]。较为常见的地下结构抗震性能分析方法包括拟静力法、反应位移法和动力时程分析法等[3]。其中，拟静力法是目前常用的地铁结构计算方法，其计算方法和计算标准可根据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111）[4]确定。反应位移法可参考《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909—2014）[5]。基于反应位移法计算得到的结构变形与地震作用下结构实测变形结果较为吻合，且概念清晰，因此能够较为准确地反映土体和地下结构之间的相互作用[6]。因此，该方法是目前普遍采用的地下结构抗震计算方法。弹性时程方法和非线性时程方法技术要求较高，计算过程相对复杂，且土体结构本构关系的选取和黏弹性边界条件的选择对计算结果的影响较为明显。因此，采用该计算方法研究地下结构抗震性能尚存在一定困难。

整体式反应位移法是在传统反应位移法的基础上做了相应改进，直接建立土层-结构有限元模型，可较为准确地反映地下结构受到土层的约束作用，能够有效地避免地基弹簧系数取值带来的误差[7]。

地下综合管廊主体结构沿纵向结构形式连续、规则，横向断面无较大变化，抗震分析时近似按平面应变问题处理。本文拟采用整体式反应位移法对地下综合管廊结构横向地震反应进行计算，分别研究地震动加速度、波纹钢结构刚度和土体刚度的变化下，矩形波纹钢地下管廊结构的抗震性能。

1 矩形波纹钢地下综合管廊项目概况

本文基于平遥古城基础设施提升改造项目[8]，主要以北大街地下综合管廊为研究对象，分析矩形断面波纹钢地下综合管廊结构的抗震性能。平遥古城北大街道路较为狭窄，宽度约为3.8～7 m。该道路下方敷设综合管廊，其中入廊管线包括10 kV 电力电缆、0.4 kV电力电缆、通信线缆、给水等管线。同时，还需敷设雨水、污水和燃气等管线。

为在狭小空间敷设多种管线，本项目提出综合管廊小型化设计方案，采用薄壁波纹钢新材料。其标准断面设计净尺寸为1.6 m×2.7 m 的矩形断面，如图1所示。

图1 平遥古城地下波纹钢综合管廊标准矩形断面（单位：mm）

管廊纵向1.2 m 为1 环，每环采用4 片钢板拼装，端部焊接法兰，以M20（8.8 级）规格的高强度螺栓连接。法兰之间设置专用的密封材料，防止波纹钢板连接处发生渗漏水。密封材料采用方形耐久性能较好的三元橡胶密封圈或EVA 发泡密封条。

波纹钢管廊加工后，须采用热镀锌等防腐处理镀锌层单面不小于600 g/m2。波形钢板内外表面均须进行热浸镀锌处理。热浸镀锌采用GB/T 470 规定的1 号或0 号锌，钢板表面处理的最低等级为Sa2.5。波纹钢板出厂前对钢板和配套附件进行镀锌处理，其镀锌厚度不小于63 μm，其镀锌平均厚度为84 μm。现场安装完成后，在波纹钢管节外壁均匀涂上或喷上两层沥青漆或乳化沥青，一般沥青涂层的厚度要达到0.5～1 mm。当管壁内外为黑色即表示涂喷完成。该方法能够加强结构防腐蚀作用。

管廊内部喷涂钢板耐火材料不小于4.9 mm，内部支架喷涂耐火材料不小于3.0 mm。

此外，本工程拟建场地抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组，场地覆盖层厚度大于50 m，建筑场地类别为Ⅲ类。通过勘察测得平遥古城内地层物理参数，详见表1，稳定水位埋深为10.80～18.50 m。

表1 地层物理参数

2 有限元数值模型

由反应位移法基本原理[9]可知，地震作用主要由土层变形、结构周围剪力和结构惯性力组成[10]。整体式反应位移法的实施步骤如下：

（1）求解自由场地震反应，得出对应于结构位置的土层剪应力、加速度和位移。

（2）求解土层变形的等效荷载。

（3）求解结构周围剪力。

（4）求解结构惯性力。

（5）建立整体式反应位移法的土层-结构计算模型，并对其分析计算。

2.1 计算模型

建立土层- 管廊结构相互作用的数值模型，设置数值模型边界约束条件，施加步骤（2）、（3）、（4）计算后提取相应的地震荷载，进行静力计算。其计算模型如图2 所示。岩土层结构采用平面应变单元建模，管廊结构采用梁单元进行模拟，有限元计算模型如图3 所示。

图2 整体式反应位移法计算模型

图3 有限元计算模型

通过对自由场土体数值模型对应岩土- 管廊结构接触面位置施加最不利时刻的地层相对位移，对该接触面内的自由场土体数值模型施加最不利时刻的地层水平加速度，求得岩土- 接触面位置的节点反力，即等效输入地震荷载[11]。其计算等效输入地震荷载示意图如图4 所示。

图4 等效输入地震荷载示意图

使用整体式反应位移法时，由于地层可能为水平成层或复杂地层，其在地震作用中相对位移和加速度可根据实际地层参数，由一维地层地震反应分析或自由场地震反应分析得到[12]。

结构惯性力采用结构质量乘以结构所在位置自由地层最不利时刻的水平加速度计算。

图5 为内力提取点示意图。

图5 地震作用下结构内力提取点

2.2 计算工况及参数

本文主要研究地震动加速度、波纹钢结构刚度和土体刚度的变化对矩形断面波纹钢管廊结构抗震性能的影响规律。总共建立10 种工况进行分析，以系统地揭示不同影响参数对波纹钢管廊结构抗震性能的影响。具体工况见表2。

表2 数值计算工况表

3 数值计算结果

3.1 设计地震动参数对波纹钢结构地震响应的影响

图6 为E2 地震作用和E3 地震作用下波纹钢管廊结构应力分布结果对比。从中可知，地震作用大小对结构应力分布规律无明显影响。关键节点部位应力较大，结构顶部和底部应力值次之，管廊结构两侧应力值相对较小。其中，左下方节点应力值最大。

图6 不同设计地震动峰值加速度下结构应力分布云图（单位：P a）

与E2 地震作用相比，E3 地震作用下结构应力峰值较大，应力值增大了46.54%。

图7 和图8 分别为E2 地震作用和E3 地震作用下波纹钢管廊结构弯矩、轴力和剪力计算结果对比。不同地震动作用下结构受力分布特征基本一致。

图7 不同设计地震动峰值加速度下结构弯矩分布云图（单位：N·m）

图8 不同设计地震动峰值加速度下结构内力分布云图（单位：N）

E3 地震作用下结构内力相对较大，内力峰值主要出现在左下方节点位置。与E2 地震作用相比，E3 地震作用下弯矩增大了1.1 倍，弯矩值为0.638 kN·m；轴力和剪力峰值分别增大了26%和30%，峰值分别为90.03 kN 和6.42 kN。

此外，由地震剪力荷载分布规律可知，E3 地震作用下，顶板处地震剪力荷载相对较大，且顶板地震剪力方向为逆时针。因此，受到该地震作用时结构轴力由负变正。

图9 为E2 地震作用和E3 地震作用下波纹钢管廊结构变形分布结果对比。由图可知，不同地震动作用对结构变形分布规律影响不大。

图9 不同设计地震动峰值加速度下结构变形分布云图（单位：m）

E2 地震作用和E3 地震作用下结构顶部水平向右分别变形5.154 mm、9.457 mm，底部水平向左分别变形2.989 mm、3.509 mm，其变形峰值主要位于右上节点和左下节点位置。E3 地震作用下结构水平变形相对较大，其位移角为1/306，根据《地下结构抗震设计标准》（GB/T 51336）[13]弹塑性层间位移角限制1/250，该结构变形满足抗震要求。此外，E2 地震作用下结构位移角为1/563，小于弹性层间位移角限值1/550，满足要求。

E2 地震作用和E3 地震作用下结构两侧变形方向均相反，左侧结构向下变形，右侧结构向上变形，结构变形主要受地震剪力荷载影响。E3 地震作用下结构竖向变形相对较大，位移峰值主要位于上下节点位置。

波纹钢管廊结构地震响应提取点位如图5 所示，表3 为E2 地震作用和E3 地震作用下不同提取点位的内力值。由表可知矩形波纹钢管廊结构上方右侧节点和下方两侧节点受力相对较大，其中下方左侧节点位置的受力最为明显。两侧腰部附近受力相差不大。

表3 不同提取点的结构内力汇总表

3.2 波纹钢结构刚度对地震响应的影响

波纹钢波形和波纹钢板厚度确定了波纹钢结构刚度，本文通过波纹钢厚度分别为3 mm、5 mm、7 mm和8 mm 对波纹钢管廊结构地震响应进行分析。表4为不同厚度波纹钢参数。

表4 200 mm×55 mm 波纹钢板件截面特征参数

按照《冷弯波纹钢管》（GB/T 34567—2017）[14]中波纹钢板件标准截面，选取波纹钢板波形为200 mm×55 mm，如图10 所示。钢板宽度取1.0 m，波纹钢板选用Q345 钢材，其弹性模量取值为206 000 MPa，泊松比为0.3，密度为ρ=7 850 kg/m3，有限元数值计算中波纹钢板采用线弹性本构计算模型。