地下综合管廊结构体系抗震性能分析

王晓敏

【摘  要】论文以南京上坊润麒路综合管廊为工程背景，利用ABAQUS进行三维有限元模型的建立，对结构埋深、接触面设置、边界条件等不同影响因素对结构的动力响应影响规律进行分析。

【Abstract】Taking the utility tunnel in Runqi Road， Shangfang Town， Nanjing City as the engineering background， this paper uses ABAQUS to establish a three-dimensional finite element model， and analyzes the influence law of different influencing factors such as the burial depth of the structure， contact surface settings， and boundary conditions on the dynamic response of the structure.

【关键词】综合管廊;地震响应;影响因素;边界条件

【Keywords】utility tunnel; seismic response; influencing factors; boundary conditions

【中图分类号】TU984.11+6                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）06-0177-02

1 工程概况

本文以南京上坊润麒路综合管廊为工程背景，润麒路综合管廊位于新建道路中央分隔带或道路外绿化带内，建设场地拆迁完成后较为空旷。持力层主要以粉质黏土为持力层，土层地基承载力特征值均较高，无需处理可直接作为基础持力层。

2 地震波选取及模型建立

2.1 地震波选取

根据本工程岩土工程勘察报告，管廊结构所在的场地类别为二类，设计地震第一组，地震动峰值加速度值为0.2g，相当于地震基本烈度8度，地震动反应谱特征周期为0.35s。根据地震波选用基本原则，结合本文所涉及的实际工程岩土勘察报告，本文选择典型的el-centro波作为地震输入，由于每条地震波的加速度峰值均在前10s的范围内，所以本文截取前10s时间段的加速度曲线进行结构动力学分析。

2.2 模型建立

本文为消除地震波在人工边界处的散射效应，采用了无限元人工边界，在保证无限元区域的反应为弹性的情况下，整个模型的尺寸比边界远置情况大为减小，本文的管廊结构体截面尺寸为4.1m×3.5m，本模型中地下综合管廊结构体两侧土体和下部土体各延伸20m，总的计算模型宽度方向为44.1m，管廊埋深2m，則总的高度方向为25.5m，纵向长度方向取50m。

计算模型中计算区域的土体选择C3D8I（三维八节点实体单元），无限元区域土体采用CIN3D8（三维八节点一阶无限单元）模拟，管廊结构主体选择S4R四节点壳单元模拟，钢筋网选用T3D2（三维桁架单元）模拟。综合管廊与周围土体之间的接触采用ABAQUS自带General Contact，切向采用库伦模型，摩擦系数根据Randolph和Worth建议的桩-土相互作用摩擦角算法，取u=0.3，法向采用硬接触。本文按照上述要求通过ABAQUS建立三维有限元模型（共85617个单元，90779个节点），划分网格后的管廊模型关键点如图1所示。

3 影响因素分析

3.1 接触面影响分析

土体和结构是两种完全不同性质的材料，地震作用下二者在接触面处的变形完全不同于相同连续的介质所发生的变形问题，后者可以始终保持相邻点变形的连续性，而前者往往不能满足这一条件，特别是在强震作用下容易发生脱开与滑移。ABAQUS中的接触压力和间隙的默认关系是“硬接触”，即当互相接触的两个面之间传递接触压力的大小不受限制，当接触面之间呈分离状态，接触压力为零或者负值，相应节点的接触约束被去掉。对于切向作用常采用摩擦系数表示接触面之间摩擦特性，本文就针对不同摩擦系数对结构地震作用下的响应规律进行研究分析，不同接触面条件下结构应变时程如图2和图3所示。

由图2、3可以看出：当不考虑土体与结构之间的相互摩擦，结构的应变幅值最小，结构的动力响应明显偏小，当土体与结构之间的相对滑移为零时，结构的应变幅值将会明显增大，在μ=∞时，结构应变幅值达到最大，相比摩擦系数为μ=0.45增大幅度可达1.6～2.4倍，表明土体跟结构之间的相互作用。表1更清楚地列出了A1至A5个各关键节点的应变幅值，从表内数据可以看出结构的应变幅值均在μ=∞时取得最大值，表明不考虑结构与土体接触面之间的相对滑移将增大结构的动力响应。

3.2 边界条件影响分析

人工边界条件是结构动力反应的关键因素，本文就自由边界、固定边界、无限单元几种不同的边界条件进行分析并得出相应结论，A1节点在不同边界条件下结构应变幅值以及等效应力如图4和图5所示，关键节点不同边界条件下结构应变幅值及等效应力如表2所示。

由图4可知，固定边界结构的应变幅值及等效应力最大，无限单元边界次之，自由边界最小，也即若将结构边界设置自由边界，结构的地震响应明显偏小，设计是偏于不安全的状态，若设置为固定边界，结构的反应明显偏大，设计又偏于保守，所以在结构设计对边界条件进行设置时，将其设置为无限单元是较为理想的状态。由表2可知，自由边界条件下结构的应变幅值明显较小，在同一节点处，固定边界和自由边界相比，应变幅值计算结果增大了1.8～3.3倍，等效应力计算结果增大1.4～2.9倍，由此可以看出，边界条件在有限元分析中对结构抗震设计的影响是不可忽略的。

4 结论

本文主要分析结构在埋深、接触面设置、边界条件等不同影响因素作用下结构的动力响应规律，主要得到以下结论：

①随着埋深的增加，综合管廊的峰值加速度和加速度放大系数也随埋深的增加而减少。接触面的峰值接触压力与峰值接触剪力随埋深的增加而增加，这同时也反映了随着埋深的增加，土体对于结构的约束增加，在地震作用下，结构更容易受到周围土体作用的影响。

②当不考虑土体与结构之间的相互摩擦，也即切向摩擦系数为0时，结构的应变幅值最小，结构的动力响应明显偏小，接触面在μ=∞时，结构应变幅值达到最大，也即当土体与结构之间的相对滑移为零时，结构的应变幅值将会明显增大，表明不考虑结构与土体接触面之间的相对滑移将增大结构的动力响应。

③固定边界结构的应变幅值及等效应力最大，无限单元次之，自由边界最小，也即若将结构边界设置自由边界，结构的地震响应明显偏小，设计是偏于不安全的状态，若设置为固定边界，结构的反应明显偏大，设计又偏于保守。因此，在结构设计中对边界条件进行设置时，将其设置为无限单元是较为理想的状态。

【参考文献】

【1】陈晓强，钱七虎.我国城市地下空间综合管理的探讨[J].地下空间与工程学报，2010，6（4）：666-671.

【2】郑永来，杨林德，李文艺，等.地下结构抗震[M].上海：同济大学出版社，2005.