袁 勇，朱 力，禹海濤, *，馬華兵，李婷婷

(1.同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；2.中交二公局工程設(shè)計研究院，陜西 西安 710065；3.中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710075；4.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、天然氣等市政管線的公共隧道及其附屬設(shè)施[1]。相較于傳統(tǒng)直埋于地下或架在空中的市政管線形式，城市地下綜合管廊具有以下優(yōu)勢[2]：1)管線增容擴容方便，易于在綜合管廊內(nèi)部檢修維護，有效避免道路反復(fù)開挖；2)廊道內(nèi)管線不與土壤直接接觸，抗腐蝕性能好，最大限度增加管線使用壽命；3)防災(zāi)減災(zāi)性能突出。目前，我國眾多城市已經(jīng)開展了地下綜合管廊示范工程建設(shè)。截至2020年底，全國已累計開工建設(shè)城市地下綜合管廊近5 000 km。地下綜合管廊具有區(qū)別于其他類型地下工程的結(jié)構(gòu)特點，具體為：1)綜合管廊多采用明挖回填方式埋置于地表以下2.0～2.5 m，屬于淺埋結(jié)構(gòu)；2)由于綜合管廊的功能多樣性與復(fù)雜性，空間跨度較小，通常情況下跨徑3～5 m，屬于大型地下線性空間結(jié)構(gòu)[3]；3)綜合管廊由管廊結(jié)構(gòu)和內(nèi)置管道組成，是“城市生命線”的載體。

近年來，國內(nèi)外地震頻發(fā)，地下綜合管廊在地震作用下發(fā)生了較為嚴(yán)重的破壞。除了管廊結(jié)構(gòu)自身的破壞，還有內(nèi)部管線的損壞，由此引發(fā)次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅城市公共安全。例如：1964年美國Alaska地震和1971年San Fernando地震，由于周圍土體液化大變形導(dǎo)致綜合管廊被拉斷，液化砂土流入管廊內(nèi)部，管廊被堵塞，運營停止。1971年，日本宮城地震中，仙臺市某段綜合管廊連接處被拉斷，廊道有裂紋，內(nèi)部管線因支架損壞產(chǎn)生橫向或縱向位移，進而出現(xiàn)不同程度的破壞，其功能失效，城市供給中斷。1994年，北嶺地震中由于土體側(cè)向大變形導(dǎo)致綜合管廊開裂，使得其內(nèi)的燃?xì)夤芫€發(fā)生破壞，導(dǎo)致爆炸[4-5]。1995年，日本阪神地震，仙臺市某64 km長的綜合管廊供水管道損壞，造成供水中斷，水流入供氣系統(tǒng)影響供氣能力；神戶某綜合管廊結(jié)構(gòu)接縫處破壞嚴(yán)重，內(nèi)壁混凝土保護層剝落，雖未對其他管線造成大面積破壞，但仍嚴(yán)重影響了其功能。由此可見，城市地下管線抗震問題日益凸顯，尤其對于新興的綜合管廊結(jié)構(gòu)形式，其抗震研究工作至關(guān)重要?！笆濉逼陂g，我國科技部立項了多個與城市綜合管廊抗震相關(guān)的國家重點研發(fā)計劃項目或課題，以支持綜合管廊的抗震研究工作。

本文首先歸納并分析了歷史震害實例中綜合管廊結(jié)構(gòu)的震害特點以及關(guān)鍵影響因素，簡要概括了早期國內(nèi)外綜合管廊抗震研究的發(fā)展歷程。與已有研究文獻(xiàn)[6]不同，本文主要針對目前國內(nèi)外綜合管廊抗震研究所涉及的關(guān)鍵影響因素(輸入地震動特征、工程場地特征、管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點)對綜合管廊抗震研究的現(xiàn)狀展開全面地闡述，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 綜合管廊震害特點及關(guān)鍵影響因素

1.1 綜合管廊震害特點

管廊結(jié)構(gòu)橫向剛度較大，總體表現(xiàn)為彎剪破壞，且脆性明顯，裂縫從腋角邊緣開始出現(xiàn)。節(jié)點破壞形態(tài)為受彎破壞，且主要集中在壁板下部和變截面附近區(qū)域[7]，繼而出現(xiàn)襯砌龜裂、斷裂、內(nèi)壁混凝土大面積脫落等，可能導(dǎo)致內(nèi)置管線發(fā)生變形、晃動、斷裂失效，造成城市供給中斷或引發(fā)次生災(zāi)害[6]。

此外，與一般地下結(jié)構(gòu)抗震特點類似，管廊結(jié)構(gòu)接縫處為薄弱部位，地震發(fā)生時常在此處發(fā)生張拉失效及滲漏水；破壞多發(fā)生在土層介質(zhì)發(fā)生變化、不利場地和結(jié)構(gòu)截面有較大變化處；受周圍土體變形影響較大，而對加速度并不敏感[2, 8]。與一般地下結(jié)構(gòu)震害特點的不同之處在于：管廊內(nèi)布設(shè)的管道在隨綜合管廊結(jié)構(gòu)變形的同時，對加速度較為敏感，可能會斷裂失效引發(fā)次生災(zāi)害，后期維護與重建成本高昂。

1.2 關(guān)鍵影響因素

通過對綜合管廊結(jié)構(gòu)震害特點進行分析，可總結(jié)得到：

1)地下綜合管廊一般埋深較淺，不同地層條件對結(jié)構(gòu)的約束作用表現(xiàn)出差異性。當(dāng)?shù)貙訉芾冉Y(jié)構(gòu)約束作用較小時，管廊與土體之間會發(fā)生滑移和脫離，此時需考慮結(jié)構(gòu)自身慣性力的影響；反之，若管廊受周圍地層約束作用明顯，而對自身加速度響應(yīng)不敏感時，則可忽略結(jié)構(gòu)自身慣性力的影響。

2)地下綜合管廊橫斷面尺寸介于管線與隧道之間，屬于狹長線性地下結(jié)構(gòu)。由于大型綜合管廊往往由多個艙室構(gòu)成，截面剛度相較于大直徑隧道大，彎剪破壞和局部剪切破壞最為常見[7]，且管廊接頭和接縫處易發(fā)生破壞。

3)地下綜合管廊作為包含管廊結(jié)構(gòu)和內(nèi)部管線的結(jié)構(gòu)體系，其震害特點除了包含一般隧道結(jié)構(gòu)和直埋管道各自的震害特點外，還包含了兩者連接支座和固定裝置的破壞特點。

綜上所述，影響綜合管廊地震響應(yīng)機制的3個關(guān)鍵因素分別為輸入地震動特征、工程場地特征、管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點。因此，本文將重點從這3個方面對綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀進行綜述。

2 國內(nèi)外綜合管廊抗震早期研究歷程

2.1 國外綜合管廊抗震研究歷程

國外綜合管廊抗震研究起步較早。1991年，高田至郎等[9]探討了生命線——管線的抗震設(shè)計原理與方法，提供了抗震分析的實用計算公式和參數(shù)，并提出管線構(gòu)造建議。1988—1999年，Rourke等[10]對地震作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)的受力進行分析，并總結(jié)震害特點，指出結(jié)構(gòu)的破壞是由周圍土體變形和地震作用共同導(dǎo)致的。2005年，Kimura等[11]提出了2種施工優(yōu)化方法來改善綜合管廊的抗震性能。同時，也有學(xué)者重點研究了綜合管廊抗震加固措施，例如：Caulfield等[12]和Diemer等[13]先后于2005年和2014年對供水隧洞提出了加固方案。2001年和2002年，Shamsabadi 等[14-16]從綜合管廊結(jié)構(gòu)與周圍土體相互接觸作用的機制出發(fā)，根據(jù)分析所得結(jié)論提出了相應(yīng)的加固方案。早期國外綜合管廊抗震研究多偏于施工和加固方案，并未重點討論震害發(fā)生的機制。

2.2 國內(nèi)綜合管廊抗震研究歷程

我國綜合管廊建設(shè)時間較短，在結(jié)構(gòu)形式和建設(shè)環(huán)境上與國外綜合管廊有明顯區(qū)別。因此，有必要針對我國綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震進行系統(tǒng)研究。物理模型試驗是初步探究地下管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律的有效手段。例如：2007年，馮瑞成[17]開展了均勻場地條件下淺埋明挖共同溝體系的振動臺模型試驗及數(shù)值模擬，獲得了結(jié)構(gòu)、土體及內(nèi)部管線的地震反應(yīng)規(guī)律，并據(jù)此提出了抗震設(shè)計建議。2008—2009年，史曉軍等[18-19]開展了單艙現(xiàn)澆綜合管廊大型振動臺模型試驗，得到管廊結(jié)構(gòu)角部的內(nèi)力最大，管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的直接原因是壁板與土接觸面的相互作用等結(jié)論，本研究設(shè)計的層狀雙向剪切模型箱成為后續(xù)開展非一致地震激勵模型試驗的有效試驗裝置。2010年，史曉軍等[20]、陳雋等[21]、蔣錄珍等[22]開展了非一致地震激勵地下綜合管廊振動臺模型試驗與數(shù)值模擬，試驗采用2個振動臺分別輸入具有相關(guān)性的地震激勵來代替實際多點激勵，試驗現(xiàn)場布置如圖1所示。研究表明，在非一致縱向激勵作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變呈中間大兩端小的分布模式，初步得到了非一致地震激勵下管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征。需要指出的是，圖1設(shè)計的試驗加載裝置為2個分離的模型箱，忽略了非一致地震激勵輸入的連續(xù)性以及模型場地的連續(xù)性。

(a)振動臺

數(shù)值模擬也隨著模型試驗的開展而發(fā)展，并與模型試驗相互驗證。2007年，岳慶霞[23]提出了模擬Rayleigh波場的方法，并利用有限元軟件研究了管廊在地表Rayleigh波作用下的地震響應(yīng)；2010年，岳慶霞等[24]建立了多點隨機地震動模型，分析了綜合管廊在非一致地震激勵下的隨機反應(yīng)。2014年，葉飛[4]開展了均勻場地條件下淺埋明挖共同溝體系的數(shù)值模擬研究，并與馮瑞成[17]的模型試驗相互驗證。此外，也有一些學(xué)者開展了減隔震措施研究。例如：由浩宇[25]基于抗震理論和數(shù)值模擬，參考建筑隔震方法研發(fā)了一種支座隔震器，如圖2所示。

圖2 隔震器設(shè)計示意圖[25]

2.3 研究現(xiàn)狀分析

從國內(nèi)外地下綜合管廊抗震研究發(fā)展歷程可知，目前關(guān)于綜合管廊的研究主要集中在地震響應(yīng)分析，旨在指導(dǎo)綜合管廊抗震設(shè)計。地震響應(yīng)分析主要借助振動臺試驗和數(shù)值模擬2種方法，突破了非一致地震激勵的試驗條件限制，在綜合管廊地震響應(yīng)規(guī)律方面取得了初步的研究成果，但至今仍缺乏針對綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計規(guī)范。需要指出的是，前期研究主要針對淺埋明挖現(xiàn)澆管廊單艙結(jié)構(gòu)形式，場地條件考慮為均勻場地，而隨著城市綜合管廊的大規(guī)模建設(shè)，近年來出現(xiàn)多種新型管廊結(jié)構(gòu)形式，工程場地條件復(fù)雜多樣。在這種情況下，更符合實際的地震作用也應(yīng)被考慮。為此，本文將從輸入地震動特征、工程場地特征、管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點3個方面對綜合管廊抗震研究的現(xiàn)狀進行闡述。

3 地震動特征對綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

早期，為初步得到定性的綜合管廊地震響應(yīng)規(guī)律，地震動輸入方向僅簡單考慮為一致垂直入射，往往忽略了淺埋地下結(jié)構(gòu)受地表Rayleigh波的影響。此外，綜合管廊作為狹長地下結(jié)構(gòu)，其縱向地震響應(yīng)也需重點關(guān)注。為進一步精確把握地下綜合管廊地震響應(yīng)，學(xué)者們考慮了更符合實際的地震動特征對綜合管廊的地震響應(yīng)進行研究。

3.1 地震動輸入特征對綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

為考慮地震波傳播的行波效應(yīng)，史曉軍等[20]、陳雋等[21]、蔣錄珍等[22]開展了非一致地震激勵地下綜合管廊振動臺模型試驗與數(shù)值模擬。針對該試驗存在模型箱不連續(xù)輸入的問題，Yuan等[26]、Yu等[27]推導(dǎo)出離散輸入與連續(xù)輸入的等效性與轉(zhuǎn)換條件，并基于該理論研發(fā)了多臺陣非一致激勵物理試驗平臺；韓俊艷等[28]研制了可考慮土體連續(xù)性的懸掛式連續(xù)體模型箱，并在北京工業(yè)大學(xué)多臺陣振動臺系統(tǒng)上進行埋地管線抗震試驗，對不同箱體中土體、管道加速度及管道應(yīng)變等數(shù)據(jù)進行分析。研究結(jié)果表明，與一致激勵相比，非一致激勵可使管道和土體產(chǎn)生更大的相對位移，從而放大管道應(yīng)變響應(yīng)。也有學(xué)者進一步研究了地震輸入方向?qū)芾冉Y(jié)構(gòu)和地層響應(yīng)的影響。例如: 周曉潔等[29]進行了地震動斜入射條件下層狀場地中地下綜合管廊的地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)SV波以30°臨界角入射時地表加速度響應(yīng)最大，且成層土中含有軟弱土層時管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)更為劇烈。杜盼輝[30]考慮了支墩與管道、支墩與管廊、管廊和土體的相互作用，分別研究了縱橫2個方向激勵下非均勻場地中綜合管廊的地震響應(yīng)特點。鐘逸[31]考慮沿線土層的分布情況、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用以及土體的非線性，運用廣義反應(yīng)位移法進行了地下管廊縱向地震響應(yīng)分析。結(jié)果顯示，相比近場，遠(yuǎn)場地震作用下管廊地震響應(yīng)更劇烈，地震波的Arias烈度、頻譜成分、重要持時等都對管廊縱向地震響應(yīng)有一定的影響。因此，應(yīng)重視非均勻場地層條件下地下綜合管廊的抗震設(shè)計。

3.2 地表Rayleigh波對綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

地表Rayleigh波對淺埋地下結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的。目前，學(xué)者們主要采用數(shù)值模擬開展Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)研究。羅韜[32]利用小波變化多尺度分解技術(shù)對地震波進行重構(gòu)生成Rayleigh波，并研究得到了在Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)特點。莊鑫磊[33]采用有限元數(shù)值模擬方法對Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)以及影響因素進行了研究，并提出了Rayleigh波作用下的整體式反應(yīng)位移法。施有志等[34]建立了雙艙綜合管廊三維有限元模型，通過在邊界上多次施加脈沖荷載生成Rayleigh波，開展了Rayleigh波與底部輸入地震加速度多種組合共同作用下綜合管廊的地震響應(yīng)研究。結(jié)果表明，管廊結(jié)構(gòu)縱向動力響應(yīng)受沿軸向入射的Rayleigh波影響相對較大，且底部地震波與地表Rayleigh波共同作用比單獨底部輸入得到的整體響應(yīng)更大，兩者的匹配程度對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)結(jié)果有一定影響。上述研究提出并驗證了Rayleigh波的生成方法，且進一步揭示了Rayleigh波作用下綜合管廊的地震響應(yīng)規(guī)律，并與底部輸入地震動共同考慮進行地震響應(yīng)分析，對綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

以上研究表明，不同地震動特性會對綜合管廊地震響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，尤其在非均勻場地條件下，地層性質(zhì)的差異性會極大地改變管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征，進而對管廊結(jié)構(gòu)的抗震安全性構(gòu)成威脅。因此，綜合管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)重視非均勻場地條件及最不利地震動特征的影響。此外，淺埋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計還需考慮地表Rayleigh波的作用。

4 工程場地特征對綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響研究現(xiàn)狀

早期綜合管廊地震響應(yīng)研究主要針對的是均勻場地條件，而隨著綜合管廊建設(shè)的快速發(fā)展，不利工程場地條件及復(fù)雜場地條件下的綜合管廊抗震問題也亟待研究。目前已有學(xué)者對多種非均勻場地條件下的綜合管廊地震響應(yīng)進行了大量研究，本文將針對飽和(可液化)地層和斷層破碎帶2種不利場地條件分別進行闡述。

4.1 飽和地層綜合管廊地震響應(yīng)研究現(xiàn)狀

楊劍等[35]利用FLAC軟件模擬單艙綜合管廊在地震液化條件下的動力響應(yīng)，研究了場地加速度響應(yīng)、地表位移、超孔壓比等動力特性以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律，初步揭示了可液化土中淺埋地下單艙綜合管廊的動力特性。結(jié)果表明，管廊結(jié)構(gòu)會隨著液化土較大的側(cè)向剪切變形和上浮位移發(fā)生側(cè)向和隆起位移。但是研究未考慮多方向地震動輸入條件，且僅針對單艙結(jié)構(gòu)形式，因此還需進一步研究。

蔣錄珍等[36]建立了飽和土體場地條件下地下綜合管廊結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用動力模型，并分析了不同地震波時程、加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地應(yīng)力場等因素對綜合管廊地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明孔隙水壓力是影響結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一。研究還發(fā)現(xiàn)，在單相土介質(zhì)-綜合管廊結(jié)構(gòu)上施加基于有效應(yīng)力法得到的地震波場，可以代替固-液兩相介質(zhì)場地的反應(yīng)，這一結(jié)論為提出飽和兩相介質(zhì)-地下綜合管廊簡化計算模型提供了理論依據(jù)。

4.2 斷層場地綜合管廊地震響應(yīng)研究現(xiàn)狀

盧剛剛[37]開展了綜合管廊60°斜穿地裂縫的振動臺試驗，分析了綜合管廊在地裂縫不同位置處的地震響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)綜合管廊位于地裂縫上下盤不同位置時，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)、土體與管廊相互作用表現(xiàn)出不同的特點。

武華僑[38]利用ABAQUS模擬了綜合管廊在走滑斷層、逆斷層運動產(chǎn)生的不同斷層位移作用下的非線性響應(yīng)，討論了斷層作用下管廊結(jié)構(gòu)的薄弱部位分布及破壞情況；同時，對比分析了斷層傾角、破碎帶寬度、埋深對管廊反應(yīng)的影響特點及程度。結(jié)果表明，通過設(shè)計綜合管廊線形、埋深以及加固破碎帶可以減弱地震對結(jié)構(gòu)的影響。

以上研究針對特殊工程場地條件下綜合管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進行分析，初步得到了不同場地條件下的自由場動力響應(yīng)及其對綜合管廊地震響應(yīng)的影響機制，可為特定場地條件下綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。但研究缺乏與其他關(guān)鍵因素耦合的組合工況分析，且所得結(jié)論與隧道結(jié)構(gòu)類似，后續(xù)還需針對綜合管廊結(jié)構(gòu)自身的特點，深入探究不同場地條件下綜合管廊結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的地震響應(yīng)特性。

5 針對管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點的抗震研究現(xiàn)狀

針對綜合管廊不同結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點，目前抗震研究可大致分為3類：管廊接頭和接縫的研究、對管廊典型節(jié)點的研究以及依托實際工程對不同管廊結(jié)構(gòu)形式的地震響應(yīng)研究。

5.1 管廊接頭和接縫抗震研究現(xiàn)狀

根據(jù)綜合管廊震害的調(diào)研結(jié)果可知，管廊接頭和接縫處以及結(jié)構(gòu)截面較大變化處更易破壞。因此，其應(yīng)該作為結(jié)構(gòu)分析的重點對象。隨著預(yù)制裝配式管廊結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展，預(yù)制裝配式接頭的抗震性能也被重點研究。

蔣錄珍等[39]基于橫向有接頭的綜合管廊非一致激勵振動臺試驗建立有限元模型，發(fā)現(xiàn)采用非線性彈簧單元進行地下綜合管廊接頭響應(yīng)分析的結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合，非線性彈簧單元為接頭模擬提供了新思路。劉營等[40]綜合考慮預(yù)制管廊接頭連接、土與結(jié)構(gòu)相互作用以及預(yù)制與現(xiàn)澆段連接處的邊界條件，對不同管廊結(jié)構(gòu)進行了抗震分析，結(jié)果表明預(yù)制與現(xiàn)澆段連接位置最易發(fā)生剪切破壞。王鵬宇[8]針對預(yù)制綜合管廊體系分別建立整體及帶接頭的有限元模型，對比分析接頭的存在對地下綜合管廊地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，若考慮接頭的影響，管廊結(jié)構(gòu)損傷程度明顯降低，但內(nèi)置管道的動力響應(yīng)有所增加。Ding等[41]對有接頭和無接頭的綜合管廊進行了一系列振動臺試驗，采用一致激勵分別輸入3種地震波，結(jié)果表明，無接頭管廊結(jié)構(gòu)相比有接頭管廊結(jié)構(gòu)，峰值應(yīng)變和彎矩響應(yīng)均有顯著增大，說明接頭的設(shè)置有利于提高綜合管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能。谷音等[42]基于預(yù)制綜合管廊-接頭-場地土三維分析模型，研究不同接頭連接剛度、不同預(yù)制節(jié)段長度以及行波效應(yīng)對預(yù)制綜合管廊接頭處地震響應(yīng)的影響，得到預(yù)制綜合管廊接頭的位移和加速度響應(yīng)以及預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度的變化規(guī)律，為接頭設(shè)計提供參考。

上述研究開展了含接頭綜合管廊地震響應(yīng)的數(shù)值模擬和振動臺試驗分析，探明了接頭對管廊結(jié)構(gòu)與地層響應(yīng)的影響機制，即接頭存在會使綜合管廊結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)部設(shè)施的加速度增大，但管廊結(jié)構(gòu)自身的損傷、峰值應(yīng)變與彎矩會降低。另外，上述研究也對接頭剛度、節(jié)段長度、行波效應(yīng)等因素進行了參數(shù)化分析，可為管廊結(jié)構(gòu)接頭優(yōu)化設(shè)計提供參考。

5.2 管廊典型節(jié)點抗震研究現(xiàn)狀

過去研究多聚焦于單體綜合管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段的地震響應(yīng)，而城市地下綜合管廊的進風(fēng)口、排風(fēng)口以及交叉口等變截面部位，屬于受力復(fù)雜且剛度突變的典型節(jié)點[43]，有學(xué)者已對此展開了地震響應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗震研究。

姜龍[43]結(jié)合實際工程選取進風(fēng)口節(jié)點建立了二維土-結(jié)構(gòu)相互作用有限元模型，并得到其在單雙向地震激勵下的地震響應(yīng)規(guī)律。趙丹陽[44]建立了2個單艙矩形管廊的十字形交叉節(jié)點三維整體分析模型，對比分析了特定地震波單向及雙向作用下交叉節(jié)點的地震響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，單向地震作用下垂直于地震動傳播方向的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)比傳播方向的大，雙向地震作用下非主震方向結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大，且節(jié)點易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。黃德洲[45]考慮了更加復(fù)雜的交叉節(jié)點，建立三維有限元模型對復(fù)雜三艙-四艙交叉口結(jié)構(gòu)進行研究，歸納總結(jié)了復(fù)雜交叉口節(jié)點的地震響應(yīng)規(guī)律。梁建文等[46]利用ABAQUS有限元軟件進行了地下T型交叉管廊的抗震時程分析，結(jié)果表明T型交叉管廊在2個方向的內(nèi)力特點不同。王?，B[47]基于實際綜合管廊網(wǎng)絡(luò)工程背景，建立了梁-土彈簧網(wǎng)絡(luò)綜合管廊有限元模型，并研究了地震傳播方向、非一致激勵以及接口存在對綜合管廊網(wǎng)絡(luò)地震響應(yīng)的影響。Zhang等[48-49]依托特高壓綜合管廊工程，以隧道-豎井變剛度節(jié)點為對象，開展了大規(guī)模多工況振動臺模型試驗研究，基于變剛度節(jié)點地層-結(jié)構(gòu)動力相互作用機制，提出了隧道變剛度節(jié)點的廣義擬靜力分析模型，并推導(dǎo)出相關(guān)解析解以指導(dǎo)節(jié)點設(shè)計。

綜上所述，由于典型節(jié)點自身形式的復(fù)雜性和不同方向剛度的差異性，目前文獻(xiàn)多采用不同地震動輸入方向組合對綜合管廊結(jié)構(gòu)的特殊截面、節(jié)點進行地震響應(yīng)研究，以獲取管廊結(jié)構(gòu)的最不利地震動響應(yīng)，進而為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供依據(jù)。

5.3 不同結(jié)構(gòu)形式的綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀

5.3.1 不同斷面形式和斷面尺寸的綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀

隨著不同斷面形狀和斷面尺寸綜合管廊的出現(xiàn)，已有學(xué)者對綜合管廊斷面形式進行了系統(tǒng)研究。廖智麒[50]建立了10個不同斷面尺寸的綜合管廊數(shù)值模型，分析斷面尺寸變化對地震波作用下綜合管廊各項參數(shù)的影響。楊一靖[51]依托實際工程，對圓形、矩形、拱形斷面形式的單艙地下綜合管廊結(jié)構(gòu)進行靜動力響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)在不同峰值加速度水平地震作用下同一工況中，對于應(yīng)力極值，拱形管廊最大、矩形次之、圓形最?。欢鴮τ谒轿灰?，圓形管廊最大、拱形管廊次之、矩形管廊最小?；诠δ芤?，雙艙及多艙綜合管廊目前也被廣泛應(yīng)用。仉文崗等[52]利用小型振動臺開展了雙艙矩形截面地下管廊的抗震性能和周圍土體的響應(yīng)研究，并通過數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果對比分析，得到了雙艙綜合管廊及周圍土體的地震響應(yīng)特征。

上述研究工作探討了綜合管廊的斷面尺寸、斷面形狀對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，并考慮了不同地震動特征、場地分層以及結(jié)構(gòu)埋深等多種因素，可為綜合管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

5.3.2 預(yù)制裝配式綜合管廊抗震研究現(xiàn)狀

為提高綜合管廊施工效率，改善施工環(huán)境，預(yù)制裝配式綜合管廊得到飛速發(fā)展。目前，已有文獻(xiàn)對預(yù)制裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)開展了抗震研究。杜青等[53]提出了一種預(yù)制裝配式矩形鋼筋混凝土管廊節(jié)段三維分離式數(shù)值模型，并利用預(yù)制裝配式管廊節(jié)段的低周反復(fù)荷載試驗結(jié)果驗證了數(shù)值模型的合理性，研究指出，頂板與側(cè)壁連接處的倒L型節(jié)點區(qū)為地震破壞薄弱區(qū)。Pan等[54]對2種帶端部邊界構(gòu)件的預(yù)制L型接頭(轉(zhuǎn)角處)進行了試驗研究，探究了L型節(jié)點在不同荷載組合作用下的力學(xué)性能。

疊合板式預(yù)制板塊可按照需求任意組合，因此被廣泛應(yīng)用。疊合裝配式地下綜合管廊是由疊合墻體、疊合頂板和現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板疊合而成的箱型結(jié)構(gòu)。魏奇科等[55]開展了10個疊合裝配式和整體現(xiàn)澆式綜合管廊結(jié)構(gòu)邊節(jié)點和中節(jié)點的抗震性能試驗，得到不同體積配箍率和不同縱筋錨固長度情況下邊節(jié)點和中節(jié)點的破壞形態(tài)特征，給出了節(jié)點處箍筋間距和縱筋錨固長度的建議。楊艷敏等[56]基于擬靜力試驗，研究了底部腋腳配置斜向鋼筋的疊合裝配式管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能，以指導(dǎo)實際工程。李正英等[57]針對采用鐓錨鋼筋技術(shù)的疊合式裝配綜合管廊墻板節(jié)點構(gòu)件設(shè)計了足尺試驗，分析了鐓錨鋼筋錨固長度的合理取值，并對工程實際設(shè)計提出指導(dǎo)性意見。目前，關(guān)于疊合裝配式地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及破壞機制研究還處于初步階段，上述研究皆為對節(jié)段和節(jié)點構(gòu)件進行的試驗研究，缺乏對整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)研究，其地震反應(yīng)規(guī)律尚不明確，且未考慮行波效應(yīng)、不利場地條件、地震動特征等對節(jié)點抗震性能的影響。

鋼波紋管廊相較于鋼筋混凝土管廊，具有強度高、柔性好、壽命長、形式多樣、場地適應(yīng)性強、施工周期短、施工無揚塵噪音且造價低等優(yōu)點，建設(shè)與推廣鋼波紋管綜合管廊有重大意義[58]。Yue等[59]通過振動臺模型試驗，研究了承載各種支架和管道的預(yù)制波紋鋼隧道的動力響應(yīng)和損傷機制。陳守一[60]建立鋼波紋綜合管廊有限元模型，采用動力時程方法分析，提出了考慮土-鋼相互作用的鋼波紋綜合管廊抗震分析方法。岳峰等[61]在此基礎(chǔ)上，對管廊和土-場地之間的相互作用機制進行參數(shù)分析，并結(jié)合國內(nèi)外抗震設(shè)計規(guī)范提出了考慮土-鋼相互作用的波紋鋼管廊抗震計算方法。但是上述計算和分析方法未對管廊支架等進行建模。

除一般場地條件外，有學(xué)者擴展研究了可液化場地波紋鋼管廊的地震響應(yīng)特點。劉博文[3]開展了鋼波紋結(jié)構(gòu)管廊在一般場地和可液化場地的大型振動臺縮尺模型試驗研究，提出了影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，并為此類管廊的設(shè)計及內(nèi)部支架的布置提出了建議。Yue等[62]采用振動臺試驗和數(shù)值模擬的方法，研究了液化場地淺埋預(yù)制波紋鋼綜合管廊的地震破壞機制，為預(yù)制波紋鋼綜合管廊的安全設(shè)計提供了建議。上述研究考慮了土與結(jié)構(gòu)的相互作用，得到了不同場地條件下波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并提出了相應(yīng)的抗震分析方法。但對波紋鋼管廊的地震響應(yīng)研究還缺乏對非一致激勵的考慮，對波紋鋼管廊連接接頭的力學(xué)性能也缺乏研究。

5.3.3 實際或擬建新型結(jié)構(gòu)形式綜合管廊的抗震研究現(xiàn)狀

隨著近年來新型結(jié)構(gòu)形式綜合管廊的不斷涌現(xiàn)，有學(xué)者針對實際或擬建新型結(jié)構(gòu)形式的綜合管廊進行了抗震分析。王靈仙等[63]針對某市地下綜合管廊工程，研究與下沉道路一體化構(gòu)建、包含梁柱結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆綜合管廊的受力性能和抗震性能，并對該地下綜合管廊的設(shè)計進行了驗證。王長祥等[64]針對因預(yù)制裝配技術(shù)難以滿足多艙室需求而發(fā)展的組合式預(yù)制三艙綜合管廊結(jié)構(gòu)，提出一種適用于組合式預(yù)制三艙管廊縱向抗震分析的殼-彈簧計算模型，討論了組合式預(yù)制三艙管廊的變形以及雙艙管廊和單艙管廊之間的相互影響，相關(guān)建模及研究結(jié)論可為組合式管廊的抗震設(shè)計提供一定參考。韓佳欣[65]基于ABAQUS有限元軟件，對配置纖維增強復(fù)合材料螺紋筋(FRP筋)的地下綜合管廊進行抗震性能研究，結(jié)果表明其具有良好的抗震性能，并在此基礎(chǔ)上提出了抗震設(shè)計建議。為集約高效地使用地下空間，實現(xiàn)城市可持續(xù)開發(fā)建設(shè)，出現(xiàn)了綜合管廊與地鐵車站共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系這種新型建設(shè)形式。馬曉明[66]建立了土-綜合管廊和地鐵車站共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系模型，并進行了地震響應(yīng)規(guī)律分析。

上述研究工作針對新型綜合管廊結(jié)構(gòu)形式開展了地震響應(yīng)研究，一方面可指導(dǎo)擬建新型管廊工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計，另一方面有助于進一步探索出抗震性能更優(yōu)、裝配更簡單、更集約利用地下空間的新型管廊結(jié)構(gòu)形式。隨著城市綜合管廊大規(guī)模建設(shè)，單體綜合管廊開始向共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系等形式發(fā)展，預(yù)制裝配式、抗震新材料的引入將成為發(fā)展趨勢，因此需要配合發(fā)展趨勢進一步開展相應(yīng)的研究工作。

6 綜合管廊減隔震研究現(xiàn)狀

城市地下綜合管廊系統(tǒng)是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和生命線工程，雖然地下綜合管廊已經(jīng)被證明相比直埋管線有易于維護、抗震防災(zāi)性能好、延長管線壽命等優(yōu)點，但由于管廊結(jié)構(gòu)的斷面較大且兼具功能性，在地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)更加顯著并可能帶來次生災(zāi)害。為最大程度避免綜合管廊震害帶來的社會經(jīng)濟損失，綜合管廊減隔震也是結(jié)構(gòu)抗震分析中的重要組成部分和主要設(shè)計目標(biāo)。

已有學(xué)者針對管廊結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部管道的減隔震開展了研究，提出了新型隔震設(shè)備和隔震措施以及改進的結(jié)構(gòu)形式。凌建寶等[67]依托實際工程總結(jié)了預(yù)制管廊抗震構(gòu)造措施、節(jié)段間抗震縫的構(gòu)造措施、與豎向進出口連接處的抗震構(gòu)造措施以及廊內(nèi)管道的抗震構(gòu)造措施。任建喜等[68]提出了一種新型綜合管廊抗震支墩，基于黏彈性邊界對該支墩和傳統(tǒng)支墩進行了對比分析，驗證了抗震支墩具有更優(yōu)的抗震性能。胡天羽[69]研究了減震層對綜合管廊的減震作用，并分析了減震層的參數(shù)對減震效果的影響。

目前綜合管廊的減震措施主要參考隧道的減震措施；而由綜合管廊的震害特征可知，應(yīng)進一步研究能有效降低內(nèi)置管線的動力響應(yīng)和連接處的減隔震技術(shù)[2]。另外，也要對不同管廊功能性所帶來的次生災(zāi)害問題(火災(zāi)、爆炸等)進行深入研究。

7 結(jié)論與展望

本文介紹了國內(nèi)外綜合管廊抗震發(fā)展歷程，并系統(tǒng)闡述了綜合管廊抗震的研究現(xiàn)狀。通過總結(jié)分析得出以下結(jié)論：

1)輸入地震動特征會對綜合管廊地震響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，尤其是非均勻場地條件下影響更為不利；淺埋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計還應(yīng)重視地表Rayleigh波的影響。

2)目前在工程場地特征方面的抗震研究主要集中于液化地層、斷層破碎帶等不利場地條件，并探究了關(guān)鍵場地參數(shù)對綜合管廊結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響機制，為管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與分析提供了科學(xué)依據(jù)。

3)針對不同的管廊結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造特點，目前研究主要從接頭和接縫、管廊典型節(jié)點、實際或擬建工程新型管廊結(jié)構(gòu)形式3方面分析了管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能和地震響應(yīng)特點，但還需進一步探索抗震性能更優(yōu)、裝配更簡單、空間利用更集約化的新型管廊結(jié)構(gòu)形式。

4)目前關(guān)于綜合管廊的減隔震研究還比較少，工程上主要借鑒傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)的抗減震措施，如節(jié)段間抗震縫、預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造等。但考慮到綜合管廊區(qū)別于一般地下結(jié)構(gòu)的震害特點及其功能性以及管廊結(jié)構(gòu)-功能設(shè)施體系間的動力相互作用，還應(yīng)重點研究廊內(nèi)管道、管道支座以及整個管廊體系的抗減震措施。

5)目前綜合管廊抗震研究工作主要圍繞綜合管廊結(jié)構(gòu)本身的地震響應(yīng)特征開展，對內(nèi)部管線及支座的抗震安全性研究較少，且已有研究多基于具體工程條件，結(jié)論的廣泛性和通用性還需進一步探究。另外，關(guān)于地震災(zāi)害演化和災(zāi)害鏈的研究亦是空白。

通過對已有成果的總結(jié)與研究現(xiàn)狀的討論，提出今后的研究方向與建議如下：

1)由于場地條件、地震動特征和結(jié)構(gòu)自身的形式是決定綜合管廊地震響應(yīng)的3個關(guān)鍵因素，因此管廊結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)重視關(guān)鍵因素的影響分析，并盡快提出相應(yīng)的簡化實用分析方法，便于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)目前新型綜合管廊建設(shè)呈現(xiàn)出裝配便捷、適用性強、集約化、多功能、多艙室等發(fā)展趨勢，后續(xù)應(yīng)針對新型管廊結(jié)構(gòu)的抗震性能深入開展研究工作。

3)應(yīng)重視綜合管廊功能性對抗震安全性的需求，即除考慮一般地下結(jié)構(gòu)抗震分析面臨的難題外，還需結(jié)合綜合管廊自身的功能需求，進一步加強管廊結(jié)構(gòu)與內(nèi)部管線/設(shè)備共同作用的地震響應(yīng)分析及結(jié)構(gòu)-功能一體化抗震設(shè)計研究工作，進而提出合理的減隔震措施。