楊 佳 春

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200030)

1 概述

地下綜合管廊作為城市的重要生命線工程，其重要性不言而喻，如何保證其在地震作用下的安全性是一個(gè)緊迫而又重要的命題[3]。

基于反應(yīng)位移法，利用有限元計(jì)算軟件Robot Structural Analysis對(duì)荊門市某綜合管廊進(jìn)行抗震計(jì)算分析，并對(duì)比在考慮抗震作用和不考慮抗震作用下的內(nèi)力、配筋等結(jié)果，為地下綜合管廊結(jié)構(gòu)是否需要進(jìn)行抗震分析提供了重要依據(jù)。

2 反應(yīng)位移法原理

反應(yīng)位移法是基于一維土層的地震反應(yīng)分析，其結(jié)構(gòu)計(jì)算變形與實(shí)測變形較為吻合，較為清晰反映土體—結(jié)構(gòu)間的相互作用，我國的《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將其作為主要計(jì)算方法[4]，反應(yīng)位移法抗震計(jì)算簡圖見圖1。

3 工程案例

湖北省荊門市某綜合管廊為兩艙斷面，分別為高壓電力艙和綜合艙，斷面形式見圖2。

綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，覆土厚度為2.5 m，橫斷面總長5.8 m，總高3.4 m，縱向長度每20 m分縫一道，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。管廊結(jié)構(gòu)頂板、底板及側(cè)墻厚度均為300 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，采用明挖法施工，周邊土體為壓實(shí)回填土，抗浮水位取至地面，工程項(xiàng)目土層分布及物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 土層分布及其物理力學(xué)參數(shù)

土層名稱天然重度/kN·m-3黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)②耕土18.077③黏土19.42815④強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖21.34820⑤中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖23.29027

3.1 模型建立

綜合管廊靜力作用階段，結(jié)構(gòu)控制工況為正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合，根據(jù)裂縫寬度0.2 mm進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋；地震作用階段，結(jié)構(gòu)控制工況為承載能力極限狀態(tài)偶然組合，根據(jù)承載力進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。

分別建立靜力作用階段、地震作用階段的計(jì)算模型，見圖3，圖4。

地震作用階段平面計(jì)算模型將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)可采用梁單元進(jìn)行建模。對(duì)于管廊底板的彈簧剛度取所在土層的垂直基床系數(shù)，側(cè)墻的彈簧剛度取所在土層的水平基床系數(shù)。主體結(jié)構(gòu)材料比重取25 kN/m3，水比重取10 kN/m3，結(jié)構(gòu)側(cè)壓力按水土分算的原則進(jìn)行計(jì)算。

通過計(jì)算，場地地表最大位移umax=0.06 m；結(jié)合地勘報(bào)告，取設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面深度為30 m。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)墻進(jìn)行彈簧支座設(shè)定并計(jì)算彈簧支座絕對(duì)位移、相對(duì)位移及等效地震荷載值，來建立土層地震反應(yīng)位移與結(jié)構(gòu)所受地震作用力之間的聯(lián)系。

3.2 計(jì)算結(jié)果

利用有限元計(jì)算軟件Robot Structural Analysis對(duì)管廊進(jìn)行抗震計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見圖5，表2。

表2 內(nèi)力統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

位置內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)組合地震組合控制工況F1/F3M/kN·m83.98109.43V/kN122.63151.51As/mm21 6961 232正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合F2M/kN·m34.0126.83V/kN108.31102.92As/mm2628600正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合Q1/Q2M/kN·m65.5788.52V/kN142.83186.22As/mm21 257986正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合Q3/Q4M/kN·m83.98109.43V/kN141.63208.17As/mm21 6961 232正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合Q5/Q6M/kN·m45.8478.3V/kN14.5920.83As/mm2855868承載能力極限狀態(tài)偶然組合D1/D3M/kN·m63.7794.18V/kN118.68142.92As/mm21 1841 052正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合D2M/kN·m52.743.47V/kN113.80116.22As/mm2942600正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合注:As為受拉區(qū)計(jì)算值,標(biāo)準(zhǔn)組合按0.2 mm裂縫寬度計(jì)算

綜合管廊支座處配筋由裂縫控制，通過正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行選筋可滿足地震作用效應(yīng)下的承載力計(jì)算；綜合管廊側(cè)墻內(nèi)側(cè)配筋若仍按正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行裂縫選筋偏不安全，控制工況應(yīng)為承載能力極限狀態(tài)偶然組合。

本工程綜合管廊若不進(jìn)行抗震計(jì)算，側(cè)墻內(nèi)側(cè)(Q5/Q6)處配筋采用14@180(As=855 mm2)，可滿足裂縫控制要求(ω=0.186 mm)，略小于地震作用下承載能力極限狀態(tài)要求(As=868 mm2)。對(duì)綜合管廊承載力極限狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，當(dāng)選配14@180時(shí)，管廊內(nèi)側(cè)可承受的M=77.2 kN·m略小于地震作用下承載能力極限狀態(tài)要求的78.3 kN·m。

4 規(guī)律分析

為了更好理解計(jì)算結(jié)果的適用性，選取浙江寧波和廣西欽州兩個(gè)建設(shè)場地，其中寧波為Ⅳ類場地，6度(0.05g)，欽州為Ⅱ類場地，7度(0.10g)，對(duì)同一管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見圖6，圖7。

從圖6，圖7中可以看出，寧波地區(qū)地震烈度與荊門一致但土質(zhì)較軟，從而引起的土體位移折算荷載相對(duì)較小，Q5/Q6處以正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合為控制工況；欽州地區(qū)土質(zhì)分布情況與荊門類似，地震烈度相對(duì)更高，Q5/Q6處以承載能力極限狀態(tài)偶然組合為控制工況且所需As相對(duì)更大些。

由此可見，地下綜合管廊在E2地震作用下基本上仍以正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合為控制工況；在某些建設(shè)場地條件下(地震烈度較大且設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面離地面較近)，綜合管廊側(cè)墻的內(nèi)側(cè)配筋以承載能力極限狀態(tài)偶然組合為控制工況。

5 結(jié)語

1)對(duì)綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行抗震分析是非常有必要的。通過抗震計(jì)算可有效避免綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)墻內(nèi)側(cè)鋼筋只按靜力作用計(jì)算選筋不足的情況，使得結(jié)構(gòu)體的安全度得到有效保證；

2)綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)墻內(nèi)側(cè)配筋以承載能力極限狀態(tài)偶然組合為控制工況時(shí)，鋼筋的計(jì)算面積與按裂縫選筋的面積值較為接近，適當(dāng)控制正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度(≤0.15 mm)一般可滿足抗震計(jì)算。