井字型交叉地下管廊纵向抗震分析.pdf

第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目():()作者简介:董博文()男硕士研究生主要从事地震工程研究:.通讯作者:梁建文()男教授博士主要从事地震工程研究:.文章编号:()./.井字型交叉地下管廊纵向抗震分析董博文李东桥梁建文赵 华(.天津大学 建筑工程学院天津 .天津市建筑设计院天津)摘 要:研究井字型交叉管廊的纵向抗震分析方法 文中以某预制管廊工程为例在 有限元平台建立了井字型交叉管廊的梁弹簧模型采用非线性弹簧单元模拟预制管廊的企口接头非线性土弹簧模拟土结构之间的相互作用 计算了井字型管廊在不同地震波入射角度下的地震响应得到了交叉节点的最不利模式讨论了地下综合管廊交叉节点间的影响机制 研究表明交叉节点对地下综合管廊的地震响应有重要影响当管廊相邻交叉节点的间距小于场地地层变形波长的/时交叉节点间的相互影响不可忽略 研究方法对地下综合管廊的抗震分析具有一定的参考价值关键词:井字型交叉管廊预制管廊纵向抗震分析最不利模式梁弹簧模型中图分类号:文献标识码:(.):./.:第 期董博文等:井字型交叉地下管廊纵向抗震分析引言城市地下综合管廊可以集中敷设各种管线工程是保障城市运行的重要基础设施 震害经验表明地震是威胁地下综合管廊安全的主要因素 近年来我国地下综合管廊建设发展迅速但缺乏相应的设计标准地下管廊结构的抗震分析仍然采用隧道等地下结构的计算方法目前已有不少学者对直线型地下管廊的抗震性能展开了研究并取得诸多成果 李杰等、蒋录珍等利用层状剪切箱进行了单舱矩形管廊的振动台试验并通过数值模拟分析了地下管廊结构的抗震性能对比发现模型试验结果与数值模拟结果吻合良好 汤爱平等通过振动台试验研究了地下管廊的地震响应特征分析了土体性质、结构形式等对管廊抗震性能的影响 郭恩栋等通过建立单舱管廊三维有限元模型研究了管廊结构及其内部管道在不同地震动下的破坏模式结果表明管廊侧壁与底板连接部位为损伤最大位置 施有志等通过建立双舱管廊二维有限元模型探讨了反应位移法在地下管廊抗震分析中的适用性并给出了地基弹簧刚度的建议计算方法 梁建文等采用非线性弹簧单元模拟预制地下管廊企口接头的力学行为建立了预制管廊的壳弹簧模型并进行了横向抗震分析 王长祥等建立了组合式预制管廊纵向抗震分析的壳弹簧模型研究了管廊管廊之间的相互作用不同于隧道等直线型地下结构地下综合管廊会形成大量的交叉节点由于管廊在 个主轴方向上的抗侧移刚度差异巨大导致交叉节点处成为地下管廊抗震性能的薄弱点目前仅有少量文献讨论了交叉型地下管廊的地震响应 赵丹阳利用 有限元软件建立了 个单舱矩形管廊的十字型交叉节点三维模型对单向及双向地震动作用下交叉节点的地震响应进行了对比分析结果表明双向地震作用下管廊结构可能在非主震方向发生失稳破坏 梁建文等采用反应位移法计算了 型交叉管廊的地震响应并与时程分析方法所得的结果进行对比分析结果表明反应位移法能够很好地反映管廊的受力状态可以代替时程分析法对 型交叉管廊进行抗震分析 黄德洲以地下管廊三舱四舱复杂交叉节点为研究对象讨论了土体弹性模量和黏聚力对交叉节点抗震性能的影响 上述研究在一定程度上解释了地下交叉管廊的抗震性能但研究对象均为单个交叉节点尚未考虑管廊交叉节点之间的相互影响 由于地下管廊的布局纵横交错目前尚不清楚城市地下综合管廊交叉节点间的相互影响机制也鲜有对多交叉节点地下管廊抗震性能的研究鉴于此本文提出一种荷载结构模式下的多交叉节点地下管廊纵向抗震计算方法 以地下管廊中常见的井字型交叉管廊为例考虑了管廊结构在交叉节点处的变形耦合作用提出一种周期性地层变形加载方式研究了不同入射角度下井字型预制管廊交叉节点的地震响应规律 在此基础上研究了节点间距对预制管廊地震响应的影响给出了地下管廊交叉节点的影响范围 相关建模及研究结论可为多交叉节点预制管廊的抗震设计提供一定的参考井字型管廊纵向抗震分析方法.周期性地层变形输入/地下结构抗震设计标准建议将地下结构周围土体简化为纵向地基弹簧和横向地基弹簧假定入射波引起的地层变形沿结构轴向正弦式分布并将相应的地层变形施加在地基弹簧的非结构连接端进而使地下结构产生沿轴线方向的拉压变形以及垂直于轴线方向的弯曲变形 当地震波传播方向与地下结构轴线的夹角为 时场地地层变形的计算方法为:()()()()式中:()和()分别为地下结构轴向位置 处的纵向地层变形和横向地层变形 为地震作用下地下结构埋深处的水平位移峰值 为地层变形波长对于多交叉节点的地下综合管廊由于地震波入射角度的不同场地地层变形在管廊不同主轴方向的分布会存在相位差上述思想将不再适用 以井字型交叉管廊为例假定整个场地的地层变形沿地震波传播方自 然 灾 害 学 报第 卷向 正弦形式分布当给定地层变形峰值 时某特定周期状态下管廊所处地层的变形细节如图 所示图 井字型管廊所处场地的变形细节.可以看到当入射波传播方向与 轴之间的夹角为 时场地 向的地层变形峰值为 向地层变形峰值为 这里定义 轴管廊最左端的坐标为(/)则图 所示场地变形模式下 轴管廊的地层变形分布可由式()及式()表示:()()()()()()式中 为井字型管廊轴线处埋深由 轴管廊最左端管节延伸至 轴的距离为 则 轴管廊的地层变形可由式()及式()表示:()()()()()()由 轴管廊最下端管节延伸至 轴的距离为()则 轴管廊的地层变形可由式()及式()表示:()()()()()()由 轴管廊最下端管节延伸至 轴的距离为()则 轴管廊的地层变形可由式()及式()所示:()()()()()()()()式()式()仅为图 所示地层变形模式下井字型管廊不同轴向管廊结构的地层变形分布需要指出的是采用传统纵向反应位移法计算直线型地下结构的地震响应时在保证地下结构计算长度不小于一个地层变形波长 的前提下即可获取地下结构的峰值地震响应因此无需考虑场地的变形历程而对于井字型管廊当交叉节点处于不同地层变形历程时其地震响应会有显著区别显然仅通过一次拟静第 期董博文等:井字型交叉地下管廊纵向抗震分析力计算不足以得到交叉节点处的最不利响应 为此本文采取改变式()式()位移函数相位的方式使井字型管廊结构经历一个完整的地层变形周期以确保能够获得结构的最不利响应而与此最不利响应相应的结构模式称之为最不利模式包括最不利变形模式和最不利内力模式 将地层变形周期划分为 个步长令其逐次施加于地基弹簧的非结构连接端如式()式()所示:()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()式中 .为计算步长总数.计算步长总数 的确定图 十字型管廊梁弹簧模型观测点示意图.为了确定式()式()中适宜的计算步长总数 本文以十字交叉型管廊为例基于上文给出的周期性地层变形计算方法以地震波传播方向与横向管廊轴线夹角 为例分别计算了、和 这 种情况下管廊结构的地震响应 以十字型管廊中交叉节点处的变形为观测对象分别提取了 个观测点的接头张开量观测点布置如图 所示不同计算步长总数 下各观测点张开量在一个地层变形周期内的变化如图 所示/表示不同周期状态 可以看到当计算步长分别取 和 时所得到的张开量曲线近乎完全重合因此为确保能够获得结构的地震峰值响应同时具有较高的计算效率本文计算模型的计算步长总数均取 自 然 灾 害 学 报第 卷图 各观测点在不同计算步长下的张开量曲线.算例.算例概况本文以上海世博园区管廊工程为研究对象选取该管廊工程中高科西路至国展路区域的井字型管廊进行分析总长约.管廊所处场地条件参照文献 将该工程中的管廊结构等效为预制双舱截面形式其预制管廊段长度为.管廊横截面总宽度 截面高度 底板厚 顶板和侧板厚 中隔板厚 如图 所示 管廊混凝土强度等级统一设置为 密度 /弹性模量.管廊纵向采用企口接头连接腋角处共配置 条钢绞线 钢绞线有效截面积 弹性模量 屈服强度 图 管廊横截面尺寸示意图.图 井字型管廊梁弹簧模型图.计算模型根据/地下结构抗震设计标准模型总长度不宜小于地层变形波长 或取全长地层变形波长 由地震波和场地参数共同确定计算得到本文中 为 根据实际工程情况本文井字型管廊模型的 向管廊间距为 向管廊间距为 考虑到模型边界截断效应的影响定义各交叉节点向外延伸一个地层变形波长 如图 所示 为了便于描述将主轴方向为 向的两管廊结构分别命名为 管廊和 管廊将 向两管廊结构分别命名为 管廊和 管廊管廊上两交叉节点分别为节点 和节点 管廊上两交叉节点分别为节点 和节点 利用 软件建立模型采用 梁单元模拟预制管节单元长度为.采用拉压弹簧、剪切弹簧和转动弹簧模拟纵向接头处的力学行为利用垂直于管廊轴向的地基土弹簧模拟土结构之间的相互作用参照文献给出的预制地下管廊接头弹簧刚度具体取值本文在管廊接头处设置轴向拉压弹簧其抗拉刚度由钢绞线强度决定抗压刚度由止水橡胶弹性模量和混凝土刚度确定 为模拟企口接头的抗剪和抗弯作用在管廊接头处设置沿管廊切向的剪切弹簧以及转动弹簧剪切弹簧刚度由橡胶弹性模量和混凝土第 期董博文等:井字型交叉地下管廊纵向抗震分析刚度共同确定 转动弹簧刚度通过建立管廊企口接头模型由静力计算得到具体取值为:、向的转动弹簧刚度为 /向的转动弹簧刚度为 /在每个预制标准段上设置法向地基弹簧和 个方向的切向地基弹簧法向地基弹簧刚度曲线如图()所示切向地基弹簧考虑了地基土与管廊结构间的相对滑移屈服位移取.如图()所示图 地基弹簧刚度示意图.地震动参数选取图 所示安评报告给出的大震地震波加速度峰值为.采用一维等效线性地震响应分析程序计算自由场地震响应计算得到的管廊结构轴线处的地震动参数如表 所示图 安评波加速度时程曲线.表 计算模型的地震动参数 地震动参数轴线处场地峰值变形/计算埋深处地基土动弹性模量/法向地基弹簧刚度/(/)切向地基弹簧刚度/(/)取值.结果与分析.井字型交叉管廊接头变形及内力响应由于地下管廊的交叉节点是其抗震性能的薄弱点因此交叉节点与预制管节接头处的张开量及交叉节点处的内力响应是本文关注的重点 计算并提取了大震作用下井字型管廊在不同地震波入射角度下的地震响应 以 管廊为例入射角 时/、/、/及/这 个分析步下管廊接头张开量及结构轴力、剪力、弯矩 沿 管廊的分布如图 所示可以看到井字型管廊交叉节点处的变形和内力响应显著大于非交叉节点处的管廊结构 入射角时 向管廊主要承担弯曲变形 向管廊主要承担轴向变形因此 管廊的轴力较小结构轴力主要集中于 向管廊 随着场地地层变形的周期性运动管廊的峰值响应在节点 和节点 之间间隔出现分析步/及/时节点 出现较大的张开量、剪力和弯矩值节点 出现较大的轴力值分析步/及/时节点 出现较大的轴力值节点 出现较大的张开量、剪力和弯矩值自 然 灾 害 学 报第 卷第 期董博文等:井字型交叉地下管廊纵向抗震分析图 井字型管廊接头变形和内力响应沿 管廊方向的分布.表 给出了井字型预制管廊在入射角、和 这 种工况下交叉节点处的变形和内力响应峰值及其对应的分析步数由于本文井字型管廊计算模型 个主轴方向的交叉节点间距相差不大地震波入射角度 与入射角度为 时的峰值地震响应基本相同因此这里将着重讨论入射角度为 时的工况 与直线型地下结构的地震响应规律类似当地震波入射角度为 时随着入射角度的增大井字型预制管廊的峰值张开量先增大后减小轴力随入射角度的增大逐渐增大当 时达到峰值剪力和弯矩随入射角度的增大逐渐减小当 时达到峰值 可以看出井字型管廊在 个入射角度下的张开量峰值均已超出 城市综合管廊工程技术规范规定的限值 表 井字型管廊交叉节点处的地震响应峰值 /()峰值张开量/峰值轴力/()峰值剪力/()峰值弯矩/().由表 可知不同入射角度下井字型管廊的张开量峰值均已超过规范要求 为了确定井字型预制管廊交叉节点的最不利变形模式分别计算并提取了入射角 为 范围内时管廊结构的峰值接头张开量如图 所示(计算工况间隔为)可以看到当入射角度 时交叉节点处的接头张开量达到最大值.为该井字型交叉管廊的最不利变形模式图 不同入射角度下井字型管廊的峰值接头张开量.图 两交叉节点管廊模型图.地下管廊交叉节点的相互影响为了探究地下管廊相邻交叉节点间的相互影响机制确定交叉节点的影响范围研究图 所示的 个交叉节点管廊模型管廊的 个交叉节点向外延伸一个地层变形波长 交叉节点间距为 计算了交叉节点间距 分别取/、/、/和/时预制管廊的地震响应其交叉节点处的峰值地震响应随入射角度的变化如图 所示自 然 灾 害 学 报第 卷图 两交叉节点管廊的峰值地震响应随入射角度的变化.可以看到随着交叉节点间距 的减小交叉节点处的峰值地震响应逐渐出现差异其中接头张开量的变化最为显著间距/时较之其余工况出现明显提高而交叉节点处内力峰值的变化相对较小表 列出了不同交叉节点间距管廊在最不利变形模式下的峰值地震响应情况 由表 可见当交叉节点间距 为/和/时管廊的峰值地震响应基本一致当间距 小于/时交叉节点处接头张开量和内力逐渐增大说明交叉节点之间的相互影响逐渐增大 相比交叉节点间距/的工况间距/时管廊的张开量峰值提高了.轴力峰值提高了.剪力峰值提高了.弯矩峰值提高了.交叉节点间距对管廊张开量的影响尤为显著 因此对多交叉节点地下管廊进行抗震分析时需考虑交叉节点间的相互影响 当相邻交叉节点间距小于/时建议对包含相邻交叉节点在内的管廊进行整体抗震分析表 最不利变形模式下不同间距管廊的峰值地震响应 间距/峰值张开量/峰值轴力/()峰值剪力/()峰值弯矩/()/./././.结论针对地震作用下井字型预制交叉管廊的抗震设计问题本文提出了一种荷载结构模式下的多交叉节点地下管廊纵向抗震计算方法研究了井字型地下管廊交叉节点处的变形及内力响应得到以下结论:)本文提出的多交叉节点地下管廊纵向抗震分析方法考虑了管廊在交叉节点处的变形耦合作用得到了管廊的最不利变形模式可为井字型管廊等一类多交叉节点地下结构的纵向抗震设计提供参考)地下管廊相邻交叉节点间存在相互影响 对于本文管廊当相邻交叉节点的间距小于地层变形波长的/时交叉节点处的变形和内力响应会显著增大此时需要对管廊进行整体抗震分析)地下管廊的最不利变形模式受接头张开量控制 对于本文管廊当地震波入射角 约为 时接头张开量达到最大值为管廊的最不利变形模式参考文献:李杰 岳庆霞 陈隽.地下综合管廊结构振动台模型试验与有限元分析研究.地震工程与工程振动 ():.第 期董博文等:井字型交叉地下管廊纵向抗震分析 .():.()蒋录珍 陈隽 李杰.非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验研究()数值模拟.地震工程与工程振动 ():.():.():.()汤爱平 李志强 冯瑞成 等.共同沟结构体系振动台模型试验与分析.哈尔滨工业大学学报 ():.():.()郭恩栋 王鹏宇 刘述虹 等.典型综合管廊体系的地震响应分析.地震工程与工程振动 ():.():.()施有志 华建兵 李秀芳 等.反应位移法在地下综合管廊抗震设计中的应用.吉林大学学报(地球科学版)():.()():.()甘梦云 梁建文 李东桥 等.基于壳弹簧模型的预制地下管廊横向抗震分析.自然灾害学报 ():.():.()王长祥 梁建文 李东桥 等.基于壳弹簧模型的组合式预制管廊纵向抗震分析.自然灾害学报 ():.():.()赵丹阳.地下综合管廊交叉节点地震反应分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学.:.()梁建文 闫启超 王长祥 等.基于反应位移法的地下 型交叉管廊抗震分析.自然灾害学报 ():.():.()黄德洲.城市综合管廊复杂交叉口结构的地震响应分析.合肥工业大学.()/地下结构抗震设计标准.北京:中国建筑工业出版社./.:.()胡翔 薛伟辰 王恒栋 等.上海世博园区预制预应力综合管廊施工监测与分析.特种结构 ():.():.()梁建文 李东桥 王长祥 等.考虑预应力影响的壳弹簧模型及其在预制地下管廊纵向抗震分析中的应用.地震工程与工程振动():.():.()混凝土结构设计规范.北京:中国建筑工业出版社.:.()/预应力混凝土用钢绞线.北京:中国标准出版社./.:.().:.刘晶波 王东洋 谭辉 等.隧道纵向地震反应分析的反应位移法对比.振动与冲击 ():.():.()城市综合管廊工程技术规范.北京:中国计划出版社.:.()