不同預(yù)緊力下預(yù)制綜合管廊地震響應(yīng)研究

常萬(wàn)波，趙燕賓，李 鑫，王 樂(lè)，張 朝

(1.中鐵鐵工城市建設(shè)有限公司,北京 101399; 2.中國(guó)鐵工投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 101399;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010; 4.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校城市地下工程研究中心,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著我國(guó)智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)與發(fā)展,預(yù)制綜合管廊以其建設(shè)周期短、質(zhì)量控制性高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛利用于城市建設(shè)當(dāng)中。

在綜合管廊建設(shè)力度加大的同時(shí),綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)性能研究也得到了很大的促進(jìn)。針對(duì)預(yù)制管廊重要節(jié)點(diǎn)的受力性能,胡翔等[1]通過(guò)開展管廊底部節(jié)點(diǎn)低周往復(fù)荷載試驗(yàn),研究分析了疊合板式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)在承載力、耗能以及延性系數(shù)方面的差異;匡亞川等[2]提出了一種基于“U型套箍銷接縱筋連接”技術(shù)的新型綜合管廊,并且通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其大跨徑頂板經(jīng)歷了開裂、剛度退化和極限破壞三個(gè)階段,且其承載能力提高到了荷載設(shè)計(jì)值的3.71倍;車?guó)櫜┑萚3]對(duì)預(yù)制裝配式波紋鋼綜合管廊的承載能力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)波紋鋼綜合管廊在3倍設(shè)計(jì)覆土厚度下仍具有良好的承載力,主要承載部位為管廊頂板,其應(yīng)變與覆土厚度呈正向增加;趙遠(yuǎn)清等[4]通過(guò)管廊縮尺往復(fù)加載實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)管廊極限承載力與抗剪錨筋配筋率成正比,且僅在側(cè)壁布置抗剪錨筋的情況下,與四周均布置抗剪錨筋時(shí)的承載力相等;趙文昊等[5]通過(guò)數(shù)值模擬,建模分析了綜合管廊平口與企口兩種接頭情況下管廊的允許差異沉降,發(fā)現(xiàn)在車輛荷載和地基土橫向7 cm差異沉降下,企口預(yù)制拼裝管廊接頭的承口端應(yīng)力更大且容易發(fā)生破壞;陳雋等[6]通過(guò)模型土箱,開展了綜合管廊在非一致激勵(lì)地震作用下的模型試驗(yàn),結(jié)果表明管廊在非一致地震激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)大于均勻激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng);FD Konstandakopoulou等[7]分析了綜合管廊在單次與多次地震荷載下結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng),并確定出采用連續(xù)損傷力學(xué)模型能夠很好地反映出結(jié)構(gòu)的損傷破壞性能。

目前國(guó)內(nèi)預(yù)制綜合管廊普遍采用連接件進(jìn)行裝配,裝配應(yīng)力大小對(duì)管廊施工乃至后期運(yùn)營(yíng)中的受力、防水以及抗震性能等都有著不可忽略的影響,但現(xiàn)有研究多從結(jié)構(gòu)自身出發(fā),而忽略了連接件裝配應(yīng)力對(duì)管廊性能的貢獻(xiàn)。為此,就這一問(wèn)題,以連接件通過(guò)施加裝配應(yīng)力的雙艙綜合管廊為例,來(lái)研究裝配應(yīng)力對(duì)綜合管廊相關(guān)性能的影響。

1 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 工程概況

根據(jù)所選管廊項(xiàng)目地勘資料,其建筑場(chǎng)地為 Ⅱ 級(jí),抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g,基準(zhǔn)頻率為0.01 s,管廊埋深土層以砂土為主,該工程采用預(yù)制裝配法進(jìn)行施工,其綜合管廊截面尺寸及配筋圖如圖1所示,建設(shè)用混凝土采用C40,鋼筋采用HRB400,縱向連接件采用直徑為10 mm的鋼棒,其抗拉強(qiáng)度為1 570 MPa,相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。此外,為保證管廊防水性能,在管廊接頭部位設(shè)置有遇水膨脹橡膠圈,表2為橡膠材料參數(shù)。

表1 材料參數(shù)

表2 橡膠材料屬性

1.2 模型尺寸及邊界設(shè)置

在地下結(jié)構(gòu)抗震分析中,當(dāng)場(chǎng)地土沿振動(dòng)方向的長(zhǎng)度大于5倍工程結(jié)構(gòu)時(shí),可有效降低土與結(jié)構(gòu)共同作用體系的地震響應(yīng)計(jì)算誤差[8]。因此,計(jì)算模型中,除了管廊縱向外,其余方向上土體尺寸均取為5倍管廊尺寸,管廊埋深按照現(xiàn)場(chǎng)施工方案取為1倍管廊高度3.5 m。此外,為了更好地模擬原始地基,在土體取5倍管廊尺寸的基礎(chǔ)上,再結(jié)合采用黏彈性邊界,以盡可能降低計(jì)算誤差,黏彈性邊界可有效吸收地震波反射能量并模擬出地震波在土中的傳播特性。在此,借助有限元軟件ABAQUS,在土體邊界通過(guò)設(shè)置彈簧阻尼器的方式來(lái)施加黏彈性邊界[9-10]。管-土的相互作用屬性,可以很好的體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與土體在受力狀態(tài)下彼此之間的相互作用以及相符位置變化。本模型中,管廊與土體在接觸面法向設(shè)置硬接觸,允許其接觸后在拉力作用下發(fā)生分離,切向設(shè)置罰摩擦,摩擦系數(shù)取為0.4[11],防水橡膠圈一側(cè)與管廊設(shè)置綁定約束,用以固定其位置,另一側(cè)與管廊接觸屬性與管廊-土體相互作用屬性設(shè)置一樣。

1.3 模型載荷

綜合管廊裝配時(shí)對(duì)縱向連接件施加一定的裝配應(yīng)力,不僅能夠擠壓接頭防水橡膠圈提高防水性能,而且能夠有效提高結(jié)構(gòu)的整體性,進(jìn)而增強(qiáng)管廊抵抗豎向變形能力。對(duì)于裝配應(yīng)力取值,綜合管廊相關(guān)規(guī)程并未給出明確的取值范圍,而裝配應(yīng)力對(duì)綜合管廊受力及使用性能等諸多方面又有著不可忽略的影響。為此,本模擬中對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼棒施加50 kN,100 kN,150 kN,200 kN等不同的裝配應(yīng)力,并輸入地震波進(jìn)行抗震分析,來(lái)對(duì)裝配應(yīng)力作用下的綜合管廊各方面性能展開研究。

地震波對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,可以按照等效節(jié)點(diǎn)力的方法來(lái)進(jìn)行施加[12],根據(jù)彈簧-阻尼器作用原理,其一端與邊界節(jié)點(diǎn)連接,另一端接地固定,黏彈性邊界完全吸收地震波反射能量時(shí),邊界節(jié)點(diǎn)所承受的就是地震自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng),而自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)化為在邊界節(jié)點(diǎn)上施加等效節(jié)點(diǎn)力的方法進(jìn)行處理,等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算如式(1)所示:

(1)

其中,K為黏彈性邊界各節(jié)點(diǎn)彈簧剛度;C為阻尼系數(shù);u為自由場(chǎng)位移;σ為自由場(chǎng)應(yīng)力;A為邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制面積,可通過(guò)邊界面施加單位壓強(qiáng)最終根據(jù)邊界面反力文件得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的控制面積[13]。

由式(1)可知,要計(jì)算邊界面各節(jié)點(diǎn)位置處的等效節(jié)點(diǎn)應(yīng)力,需知道自由場(chǎng)位移時(shí)程以及速度時(shí)程,在本模擬中,采用Ⅱ類場(chǎng)地地震波El-centro波按照設(shè)計(jì)基本加速度0.2g進(jìn)行三向加載,其地震波相關(guān)信息如圖2所示,其中,位移時(shí)程以及速度時(shí)程通過(guò)加速度時(shí)程曲線積分得到,且為了防止模型有殘余變形,對(duì)輸入的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行了基線校正。最終計(jì)算模型如圖3所示。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 模型可行性驗(yàn)證

為確定施加等效節(jié)點(diǎn)力實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)加載的方式是否合理,選取場(chǎng)地土體自由表面的4個(gè)頂點(diǎn)為研究對(duì)象,通過(guò)提取三個(gè)方向的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,其各方向加速度時(shí)程曲線如圖4所示,其中A1,A2,A3分別對(duì)應(yīng)x,y,z三個(gè)方向的加速度反應(yīng)時(shí)程。

由場(chǎng)地土體4個(gè)頂點(diǎn)的加速度反應(yīng)時(shí)程可以看出,在0.2g El-centro波作用下,所有頂點(diǎn)沿著3個(gè)方向的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線與輸入的地震波時(shí)程曲線波形基本一致,且較輸入的地震波有些許延遲,各加速度反應(yīng)時(shí)程曲線也幾乎同時(shí)達(dá)到正負(fù)向峰值。另外,根據(jù)豎向的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線可以看出,峰值加速度較輸入的地震波峰值,有著1倍～2倍的放大,這也與一維波動(dòng)理論相符合。以上所得場(chǎng)地土體地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律表明,擴(kuò)大土體尺寸基礎(chǔ)上采用黏彈性邊界并結(jié)合等效節(jié)點(diǎn)力施加地震荷載的做法對(duì)于場(chǎng)地土體的動(dòng)力響應(yīng)研究有著很好的適用性。

2.2 管廊受力性能分析

防水性能在管廊施工乃至后期運(yùn)營(yíng)階段都起著舉足輕重的作用,它是保證內(nèi)部管線安全的重要舉措之一。按照綜合管廊技術(shù)規(guī)程要求,防水橡膠圈的界面接觸壓力不應(yīng)小于1.5 MPa,而預(yù)緊力的施加也并非越大越好,一方面要考慮連接件的受力安全,其次還要保證連接孔道部位混凝土的受力安全,為此,根據(jù)不同的預(yù)緊力,對(duì)管廊的防水以及受力性能進(jìn)行了如下分析。

圖5為防水橡膠圈在不同預(yù)緊力下的界面接觸壓力,可以看出,隨著預(yù)緊力的加大,橡膠圈接觸壓力不斷增加,表明預(yù)緊力施加,將能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的防水性能,但在預(yù)緊力為50 kN,100 kN下,橡膠圈接觸壓力未達(dá)標(biāo),存在防水隱患。此外,值得注意的是,相較于管廊連接孔道附近,中隔墻與頂?shù)装褰唤缣?以及側(cè)墻中部,橡膠圈接觸壓力較小,為此,施工中應(yīng)結(jié)合管廊斷面尺寸,可在中隔墻等相應(yīng)位置增加縱向連接件,從而保證橡膠圈界面各部位接觸壓力均能滿足防水要求。

圖6為施加裝配應(yīng)力后管廊結(jié)構(gòu)受力情況,可以看出,隨著裝配應(yīng)力加大,管廊連接孔道部位應(yīng)力集中逐漸增大,這將對(duì)孔道部位混凝土產(chǎn)生一定的損害,且在管廊后期發(fā)生不均勻變形等可能情況下,會(huì)加劇應(yīng)力集中,將有可能對(duì)孔道部位混凝土產(chǎn)生破壞,從而使得裝配應(yīng)力損失,進(jìn)而發(fā)生防水失效或者結(jié)構(gòu)剛度下降導(dǎo)致變形過(guò)大,最終破壞內(nèi)部管線。

從以上防水及管廊結(jié)構(gòu)受力的研究可以發(fā)現(xiàn),裝配應(yīng)力的大小,對(duì)管廊防水及結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要,工程中應(yīng)結(jié)合管廊結(jié)構(gòu)自身、連接件屬性以及防水橡膠材料等諸多因素共同考慮預(yù)緊力的大小,使得預(yù)緊力施加更為合理。

2.3 加速度響應(yīng)分析

對(duì)于多艙形式的綜合管廊,頂?shù)装迮c中隔墻以及側(cè)墻的交接位置往往作為設(shè)計(jì)的重要節(jié)點(diǎn),此外,為使結(jié)果規(guī)律性更加明顯,選擇與波源位置關(guān)系較遠(yuǎn)的頂板與中隔墻交點(diǎn)為研究節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,而峰值加速度能夠較為直觀的反映出結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn),故提取3個(gè)方向的加速度反應(yīng)時(shí)程曲線,且通過(guò)其峰值加速度來(lái)研究裝配應(yīng)力對(duì)綜合管廊抗震性能的影響。其峰值加速度與裝配應(yīng)力曲線如圖7所示。

通過(guò)對(duì)比不同方向不同裝配應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值加速度發(fā)現(xiàn),隨著裝配應(yīng)力的增大,水平兩方向峰值加速度逐漸加大,而豎向峰值加速度逐漸減小。

另外,結(jié)構(gòu)在地震荷載作用過(guò)程中,其各部位的峰值位移表征著管廊與土體之間相互作用的強(qiáng)弱,能夠直觀地表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng),且通過(guò)對(duì)比不同裝配應(yīng)力下的峰值位移,可以得到裝配應(yīng)力對(duì)管廊抗震性能的影響。

圖8為不同裝配應(yīng)力下管廊的峰值位移,可以看出,峰值位移隨著管廊高度增加呈增大趨勢(shì),表明越接近地表,結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)越劇烈,與現(xiàn)有研究結(jié)果一致[14]。另外,除了連接孔道部位外,其余位置處結(jié)構(gòu)峰值位移隨著裝配應(yīng)力的增大而增大,表明裝配應(yīng)力提高管廊整體性的同時(shí),其地震響應(yīng)也得到了增大。

除了加速度和位移的反應(yīng)時(shí)程曲線外,管廊結(jié)構(gòu)自身在地震過(guò)程中的受力性能也是其抗震性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)?？紤]到三維結(jié)構(gòu)視圖的影響,且內(nèi)置的鋼筋籠與結(jié)構(gòu)自身受力狀態(tài)有著很大的相關(guān)性,故采用分析鋼筋籠的方法,側(cè)面反映不同裝配應(yīng)力下管廊在地震過(guò)程中的受力反應(yīng)。

鋼筋籠在地震作用下受力分布如圖9(a)所示,可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)力最大部位主要為管廊底板腋角處,為此,提取了底板4個(gè)腋角處的最大應(yīng)力差,這樣不僅能消除裝配應(yīng)力對(duì)鋼筋產(chǎn)生的初始應(yīng)力,也能更好的研究其在地震動(dòng)作用過(guò)程中鋼筋內(nèi)力的變化趨勢(shì)。通過(guò)圖9(b)最大應(yīng)力差發(fā)現(xiàn),不同裝配應(yīng)力對(duì)中隔墻部位的受力影響是相同的,地震動(dòng)作用下其最大應(yīng)力差相等,而連接孔道部位應(yīng)力差隨著裝配應(yīng)力的加大逐漸增加,表明在地震荷載作用下,裝配應(yīng)力加大會(huì)加重管廊孔道部位對(duì)地震的響應(yīng)。

3 結(jié)論

通過(guò)以上不同裝配應(yīng)力下綜合管廊的相關(guān)性能研究發(fā)現(xiàn),裝配應(yīng)力大小對(duì)綜合管廊防水、受力、抗震性能等諸多方面有著很大的影響,主要結(jié)論為以下幾點(diǎn):

1)裝配應(yīng)力的施加可以有效的提高防水橡膠圈的界面接觸壓力,從而使結(jié)構(gòu)的防水性能得到提升,但橡膠圈接觸壓力受施加裝配應(yīng)力的位置影響而伴隨有分布不均勻的問(wèn)題。

2)隨著裝配應(yīng)力加大并改善防水性的同時(shí),連接孔道部位應(yīng)力集中也愈加明顯,且在管廊承受地震荷載過(guò)程中,應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)隨著裝配應(yīng)力的增加而越發(fā)加重。

3)相較于連接孔道部位,管廊各艙室頂?shù)装逯胁恳约皞?cè)墻中部位置在地震荷載作用下的位移響應(yīng)要更大,且隨著裝配應(yīng)力增大,這些部位的峰值位移增大。

4)伴隨著裝配應(yīng)力的增大,管廊在承受三向地震荷載時(shí),其豎向的峰值加速度逐漸減小,而水平向峰值加速度逐漸加大。