大型地下管沟复杂节点结构地震响应规律_黎思成.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022大型地下管沟复杂节点结构地震响应规律黎思成1,李原2,靳金平2,陶连金1,丁鹏1,3(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124;2.中国核电工程有限公司,北京 100840;3.清华大学 水利工程系,北京 100084)摘要:基于有限元理论,采用三维动力时程分析方法,建立复杂地下管沟中“十”字交叉、空间异型部位的三维计算模型,分析其结构在不同地震幅值、回填材料刚度折减及双向地震激励下的结构地震响应。结果表明:回填土刚度折减对结构地震响应影响显著,是结构设计阶段不可忽视的影响因素,引起结构应力最大增大 54.69%、结构水平变形最大增大 57.61%;空间异型结构交叉部位截面存在面内刚度不一致,其面内水平变形趋势表现出不同的特征;在结构节点交叉部位,顶板与中隔墙、侧墙交界处出现应力集中现象。可对此类地下结构的初期抗震设计提供参考借鉴。关键词:地下管沟;复杂节点;有限元分析;地震响应中图分类号:TU92文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0926-08Seismic Response Law of Complex Node Structure of Large Underground Tube DitchLi Sicheng1,Li Yuan2,Jin Jinping2,Tao Lianjin1,Ding Peng1,3(1.The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,P.R.China;2.China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,P.R.China;3.Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China)Abstract:Based on finite element theory,the three-dynamic time-history analysis is conduceted to establish a three-dimensional calculation model for the cross and spatially-shaped parts of the trench to analyze the structures seismic response under different seismic amplitudes,backfill stiffness reduction and bidirectional seismic excitation.The results show that:the stiffness reduction of the backfill soil has a significant impact on the seismic response of the structure,and it is an influencing factor that cannot be ignored in the structural design stage.The structural stress increases by 54.69%and the horizontal deformation of the structure by 57.61%.The intersection of the spatial special-shaped structure has inconsistent in-plane stiffness,and its in-plane horizontal deformation trend shows different characteristics.At the intersection of structural nodes,stress concentration occurs at the junction of the top plate,the central partition wall and the side wall.Based on the above conclusions,it can provide reference for the initial seismic design stage of such underground structures.Keywords:underground pipe trench;complex node;finite element analysis;seismic response收稿日期:2022-01-18(修改稿)作者简介:黎思成(1996),男,重庆人,硕士,主要从事地下工程抗震与设计方法等研究工作。E-mail:Sicllll .基金项目:国家重点研发计划(2017YFC0805403);国家自然科学基金(41877218)0引言伴随着我国的经济技术的快速发展,对城市地下空间的开发力度不断加大,各种结构类型都应用于地下空间中。地下结构受到周围土体的约束作用,令结构的地震动力响应没有地上结构明显。但由于结构深埋地下若发生破坏,很难进行修复,因此存在一定安全隐患。在经历汶川地震之后,国内学者对地下结构的地震响应规律的研究不断深入。对于城市地下管廊1-2、盾构隧道3、地铁车站和区间4-6、装配式地铁车站7-8等各类结构形式,我国学者采用理论分析法9、原型观测法、模型试验8等方法对其结构地震响应、影响因素9、破坏机理1、场地条件10等进行了研究。目前研究大都采用拟静力法11-12和动力时程法分析地下结构中几个关键截面,以此对结构整体地震响应进行评估。而管沟结构纵横交错,形成空间网状结构,若继续采用拟静力法分析无法全面反应结构动力响应。故对大型地下管沟复杂节点结构进行三维地震计算分析是十分有必要的。本文依托某大型地下管沟项目,基于实际场地条件,对结构地震响应开展三维动力时程分析,目的是为结构设计提供可靠的参考依据。1工程背景某项目拟建空间分布、结构特征、尺寸规模各不相同的三条大型地下管沟,管沟在空间纵横交错,呈现网状结构,如图 1 所示。其主要特征有:图 1地下管沟平面图Fig.1Plan of underground pipe trench(1)规模大。在长约 750 m,宽约 750 m 的范围内,分布有 3 套管沟,总长度近 10 km。(2)体系复杂。在场地内相互交叉叠摞,形成网状结构;每条主管沟上存在大量分支以及结构交叉部位。(3)断面形式类型繁多。地下管沟的横截面形式复杂多样,有的截面形状不规则、结构非对称;有些截面跨度较大、形状较扁平,如图 2 所示。(4)断面刚度不一致。结构交叉部位截面存在侧墙一侧、两侧或一层有结构支撑,致使结构截面刚度不对称、不一致。管沟结构交叉部位、结构不对称或开洞部位会在地震作用下产生扭转,结构产生较大变形且其地震响应也大,因此应将其作为抗震关键部位。本文对管沟交叉部位进行分类,根据交叉形式主要分为“十”字型、空间异型并对其进行研究。“十”字型节点是指其结构为平面上的横纵交叉,如图 3;空间异型节点主要是其结构交叉部位在空间上呈现出复杂特点,交叉部位结构截面形式多样,在地震作用下其截面水平变形性能值得研究。基于以上结构特征,若建立管沟系统整体有限元模型进行计算,以现有的计算能力难以实现且其影响因素众多。故本文选取了管沟中抗震关键部位进行精细化建模,分析结构地震动力响应规律。图 2管沟的部分典型横截面Fig.2Typical cross-section of partial pipe trench2管沟动力时程分析2.1模型建立按照地下结构抗震设计标准(GB/T 513362018)13规定,三维计算模型的侧面边界到地下结构的水平距离不应小于 3 倍结构单边最大尺寸,底面边界到地下结构地面距离不应小于 3 倍结构单边最大尺寸。“十”字型、空间异型关键节点分别选取综合管沟中某段交叉部位为研究对象建立三维有限元数值模型。表 1 为土 结构模型相关参数,图 3 为土 结构模型示意图。“十”字型节点结构为单层双跨矩形框架结构,顶板覆土层厚 1.16 m,顶板厚 0.5 m,底板厚7292022 年增刊 2黎思成,等:大型地下管沟复杂节点结构地震响应规律0.6 m,侧墙厚 0.4 m,中隔墙厚 0.4 m,结构底板埋深为 4 m。空间异型节点结构标准截面为单层双跨矩形框架结构,顶板覆土层厚 7.6 m,顶板厚0.6 m,底板厚 0.6 m,侧墙厚 0.6 m,中隔墙厚0.6 m,结构底板埋深为 11 m。表 1结构模型参数Table 1Structural model parameters节点类型土 结构模型尺寸/m结构截面最大宽度/m结构截面最大高度/m模型单元数/个“十”字型4040403.52.8456 628空间异型6540856.63.450 6782.2材料参数2.2.1土体参数在数值模型中涉及场地土层由上到下依次为:碎石土回填层、中风化黑云母花岗闪长岩,土体采用 Mohr-Coulomb 本构模型。表 2 为场地土物理特性参数。2.2.2结构参数管沟结构主要采用标号为 C45 的混凝土制作,详细参数如表 3 所示。混凝土材料模型参数基于混凝土结构设计规范(GB500102010)14中相关参数。表 2场地土物理特性参数Table 2Physical characteristics parameters of site soil场地土层高度/m质量密度/(kgm-3)横波波速/(ms-1)纵波波速/(ms-1)动泊松比动弹性模量/GPa碎石土回填层421363808390.370.86中风化黑云母花岗闪长岩402480126324590.3210.75图 3地下管沟节点模型Fig.3Node model of underground pipe trench表 3结构混凝土参数Table 3Parameters of structural concrete构件强度标号密度/(kgm-3)弹性模量/GPa泊松比结构C452 40033.50.2在数值模型中结构采用各向同性弹性模型。在模型计算时将土 结构相互作用设置为接触,土结构相互作用摩擦系数取常用系数为 0.4。2.3边界条件及地震动时程曲线本文采用通用有限元软件结合黏弹性人工边界对结构有限元数值模型进行动力时程分析。在文献15中提到了在通用有限元软件中施加黏弹性人工边界的方式。地震波采用 E2、E3 地震下人工波 L-1、L-2 的地震 动 记 录,地 震 加 速 度 峰 值 分 别 为 0.135g、0.270g,地震波加速度时程如图 4,地震波为从基岩向上传播的 SV 波。本文对水平(SV)向地震输入和水平+竖直(SV+P)双向地震输入分别进行研究。根据规范规定,竖直地震波取自水平地震波,最大峰值取水平地震波最大峰值的 0.667 倍。动力计算时,采用瑞利阻尼模拟土在循环动荷载作用下的滞后性和非线性,本文中阻尼比取值为 5%。829地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 4人工波地震动记录Fig.4Records of artificial wave seismic2.4计算工况设置基于实际场地条件,结构采用明挖法施工,结构上部回填级配碎石,而在大范围内回填级配碎石,有可能产生土层刚度不均一