地下综合管廊抗震措施研究

文/ 上海理工大学土木工程系；上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司

任青，王恒栋，邹家珅，杨涛

1  有限元模型

采用ANSYS建立三维有限元模型，重点分析采用加腋（高度300mm）与设置减震层（通长，厚度300mm）相结合抗震措施后的管廊计算结果。其中管廊4个角部的加腋高度为300mm，在管廊四壁外围包裹的减震层的厚度也为300mm。网格尺寸控制在150mm。

单仓管廊有限元模型截面如图1所示，单仓管廊-土体三维有限元模型如图2所示，其中减震层为橡胶材料，采用solid185单元模拟，密度为100kg/m ³ ，弹性模量为3MPa，泊松比为0.38，不考虑其与管廊结构的滑动摩擦，采用共用节点代表二者之间的接触。本次分析采用上海波，时长为30s，加速度峰值为0.05g、0.1g和0.2g（见图3）。 

图1  单仓管廊截面（加腋+减震层）

图2 单仓管廊-土体三维有限元模型（加腋+减震层）

图3 地震波

2 管廊计算结果分析

?? 结构主应力分析

  a  第一主应力云图    

      b  第三主应力云图

图4  单仓平口管廊主应力云图

a  第一主应力云图   

          b  第三主应力云图

图5  单仓企口管廊主应力云图

a  第一主应力云图

b  第三主应力云图

图6  单仓现浇管廊主应力云图

图4～图6给出了0.05g地震波作用下设置减震层和加腋后的单仓管廊的主应力结算结果，从以上云图可以看出。

1）与没有设置加腋和减震层相似，设置加腋和减震层后的单仓管廊廊身结构的应力峰值显著低于管廊接头处应力，二者差距35%~50%，这说明减震层的设置没有改变管廊的受力特点。

2）设置减震层后的加腋单仓平口式接头管廊和加腋现浇式管廊廊身结构与接头处的应力峰值显著低于管廊接头处应力，二者差距约为50%，这对于本身应力水平不高的平口式管廊和现浇式管廊来说，效果是很好的；对于企口式接头管廊，其应力水平整体降低0.2MPa左右，效果一般。

??管廊廊身位移

a  顶板轴线位移分布线 

b  顶板轴线正应力分布线

图7  平口管廊顶板轴线处位移和正应力分布线

a  顶板轴线位移分布线

b  顶板轴线正应力分布线

图8  企口管廊顶板轴线处位移和正应力分布线

a  顶板轴线位移分布线

b  顶板轴线正应力分布线

图9  现浇管廊顶板轴线处位移和正应力分布线

图7～图9给出了管廊顶板轴线处的位移、正应力，从以上分布线可以看出。

1）设置加腋和减震层对于企口式管廊没有影响，平口式管廊和现浇管廊则在顶板和接头出现了放大现象。但是，相对于绝对值单位而言，可以认为减震层的设置对于各种管廊均没有显著影响。

2）相较于位移分布，设置加腋和减震层后的管廊顶板的应力水平出现了显著的降低，整体来看降幅在15%～50%。其中，企口式接头管廊的应力降低幅度最大。

??节点处动力响应

为了研究接头端点处的动力响应，这里主要研究中间两节管廊四个节点的动力响应，A，B，C，D计算点位置如图10所示。A点为第2节管廊左端，B，C点为中间接头左右两点，D点为第3节管廊的右端。以下分析在0.05g非一致激励下，设置加腋和减震层后单仓管廊接头处各点加速度、加速度差、位移和位移差的计算结果，数据统计如表1～3所示，可以看出：设置加腋和减震层后，没有改变由于非一致激励下的时滞效应，在地震力作用下接头处的加速度幅值出现了不超过5%的降低，而位移幅值降幅较大，其中，现浇管廊降幅超过13%，企口式管廊和平口式管廊的降幅分别是8%和6.4%。而现浇式管廊的相对位移幅值则出现了11%的上升，平口式管廊和企口式管廊变化不大。

图10  管廊接头平面示意

??接头处应力响应

表4给出0.05g非一致激励下3种单仓管廊的接头处应力计算结果，从上表可以看出：在减震层和加腋的共同作用下，现浇式管廊和平口式管廊的第一主应力和第三主应力均出现了大幅度下降，分别达到了49%和31%，而企口式接头管廊的应力变化不大（＜10%），说明通长柔性减振层可以有效地吸收地震波，对于减小整体性较差的管廊结构应力水平有着非常显著的作用，而对于整体性本身就很好的企口式管廊效果很有限。

??接头处变形分析

设置加腋和减震层的不同接口管廊的矢量位移云图与没有设置减震层时的位移云图的比较如图11~13所示。

a  无抗震措施

b  采用抗震措施

图11  单仓管廊平口式接头位移

a  无抗震措施

b 采用抗震措施

图12  单仓管廊企口式接头位移

a  无抗震措施

b  采用抗震措施

图13  单仓现浇管廊施工缝位移 

根据上述云图的比较，可以看出：由于加腋和减震层的设置，平口式接头管廊的位移由4.93mm降低到4.89mm，企口式接头管廊的位移由3.58mm降低到3.30mm，现浇管廊的位移由5.47mm降低到4.73mm。其中现浇管廊施工缝的位移降幅为最大。在未设置加腋和减震层时，现浇管廊施工缝处的位移最大，施工缝中泡沫板的连接作用比平口式接头管廊和企口式接头管廊的橡胶的连接作用弱，因此，在设置减震措施之后，减震措施对现浇管廊的施工缝的保护作用最明显，从而现浇管廊施工缝的位移降幅最大。

3  结语

??减震措施的设置没有改变地震波作用在管廊后的整体响应，具体表现为廊身的应力水平总是小于接头处的应力水平；顶板轴线的位移和应力分布曲线没有发生很大改变。

??总体上讲，管廊设置加腋后，管廊的应力水平适当降低，这是因为加腋从一定程度上缓解了管廊四壁的应力集中，当然，由于减震层对地震波能量的吸收，在一定程度上腋使得管廊廊身的应力水平有所降低。

??由于管廊设置减震层，增加了平口式接头管廊和现浇管廊接头和施工缝处的连续性，从而使管廊接头处位移的突变减小；而由于企口式接头管廊接头处的榫卯结构的连续性，使得设置减震层对企口式接头管廊的位移分布影响较小。