某下穿通道框架涵結構抗震性能研究

張 恒

（安徽省公路工程檢測中心，安徽 合肥 230041）

目前大城市人口密度攀升，致使市內機動車保有量以每月近萬輛的速率隨之劇增，交通擁堵現(xiàn)象日益嚴重。一些城市交通路網(wǎng)也已形成，無法新建更多替代性重要交通干道[1]。交通擁堵問題的解決措施，除外遷城內企業(yè)，大力發(fā)展軌道交通等公共交通形式外，對現(xiàn)有繁忙交通節(jié)點的疏導顯得刻不容緩。城市淺埋式框架涵下穿通道可使節(jié)點交通在空間上各行其道，極大疏導交通負荷。

對于地震活躍帶地區(qū)城市的框架涵下穿通道而言，地震力對此類淺埋式框架結構的破壞性較大，結構設計驗算中需要著重關注[2]。本文針對某城市下穿通道進行典型地震波作用下的結構抗震性能研究，采用Midas/Civili橋梁結構專用計算軟件分析框架涵結構的地震響應情況，結果表明其抗震性能良好，滿足設計及規(guī)范要求。

1 工況概況

某城市下穿通道采用框架涵預制拼裝施工工藝，框架涵采用上下拼接的閉合框架結構形式。采用該工藝可以大大縮短施工工期，但其結構受力性能及抗震性能等尚待研究。本文對框架涵預制拼裝結構進行結構抗震性能方面的研究，研究成果可為今后同類工程提供參考，使其從結構受力更加合理。

1）斷面形式：下穿通道斷面常采用拱形斷面和矩形斷面，本工程下穿通道覆土淺，采用明挖施工。矩形斷面形式提高了斷面利用率并減少了開挖深度，縮短了施工工期。

2）框架結構：采用鋼筋混凝土結構，本工程設有單孔框架和雙孔框架兩種。

3）地基：根據(jù)本工程地質勘探，北段通道基底大多位于全風化花崗巖（凝灰?guī)r）或強風化花崗巖（凝灰?guī)r），局部位于中風化花崗巖（凝灰?guī)r），因此北段通道基底一般無須再做處理；南段通道基底主要在粘土層。

2 抗震分析方法

針對一般地下結構的抗震設計分析方法，早期主要以借鑒地面結構抗震簡化分析的靜力法為主，如：地震系數(shù)法（亦稱擬靜力法、慣性力法）和反應位移法；而對于重要性大的地鐵隧道等地下結構，則需要進行動力模型試驗分析和地震響應分析，以期準確獲取結構的動力特性與動力響應，指導結構抗震設計工作。特殊條件下的震害調查與現(xiàn)場觀測能真實反映結構的抗震特性，但無法直觀獲得在確定的模型邊界條件與激勵地震波條件下的針對性試驗結果。理論分析與模型試驗相結合的研究方法是普遍的抗震分析方法。

框架涵的縱向拉、壓和彎曲作用會產(chǎn)生結構的縱向變形，地震波響應分析時為包絡得到框架涵總體縱向地震位移響應，沿結構軸向和橫向主軸分別輸入地震簡諧波。

假設：（1）忽略地震波的沿程衰減；（2）框架涵各周邊土彈簧相互不產(chǎn)生受力影響；（3）作用于框架涵的切向彈簧力-位移曲線符合雙向性規(guī)律，應力大于摩擦上限則框架涵產(chǎn)生滑移。

輸入結構的地震簡諧波可表示如下：

Aa為軸向波幅，Ab為橫向波幅，分別對應于人工填土場合天然土場的地震響應分析結果。La、Lb分別為響應地震波的波長。即La=cTa;Lb=cTb。依照經(jīng)驗，Ta、Tb分別取 0.3s、0.1s，波束 c 取 900m/s。

3 閉合框架結構建模

在對下穿通道的分析中，采用了有限元分析軟件Midas，由于通道全長較長，無法全部模擬，故在此截取了1m長的通道，建立了下穿通道的有限元模型，以節(jié)點彈性支承模擬邊界。

其中單室框架涵高7.2m，寬10.4m，頂板、底板、腹板厚分別為0.7m、 0.8m、0.8m。模型共劃分為60個節(jié)點，60個梁單元，其中各個方向劃分為，X方向為框架涵平行于地面垂直于框架涵軸線方向，Y方向為框架涵軸線方向，Z方向為垂直于地面向上的方向。雙室框架涵高7.2m，寬19.9m，頂板、底板、中腹板、邊腹板厚分別為 0.7m、0.8m、0.8m、0.7m。模型共劃分為116個節(jié)點，115個梁單元，其中各個方向劃分為，X方向為框架涵平行于地面垂直于框架涵軸線方向，Y方向為框架涵軸線方向，Z方向為垂直于地面向上的方向，如圖1所示。

圖1 單室、雙室彈性地基框架梁計算模型

建立模型之后，采用Midas中比較典型的三種地震波對框架涵模型進行了加載分析，三種地震波分別為：

①T2-I-1 （1995，HYOUGOKEN_South，NS，極值=-0.8281g）； ②s_monic1（1994，Northridge，Santa Monica，City Hall Grounds， 極值=-0.8836g）； ③EI cent_t（1940，EI Cento Site，270Deg，極值=0.3569g）。

并在上述三種地震波下對模型的7個方向（X、Y、Z、XY、XZ、YZ、XYZ）進行了加載。

4 單室和雙室箱涵響應分析

圖2僅列出T2-I-1地震波沿X方向輸入時，單室箱涵Z軸方向的位移曲線、剪力彎矩圖，地震波沿其他方向輸入時以及另兩種地震波輸入時的結構響應列表1匯總展示。

圖2 地震波沿X方向輸入時的位移響應Z、軸力響應Fz、彎矩響應Mz（從左至右）結果示意

舉例說明，由上所列位移、內力、應力響應結果圖表可知，在X方向T2-I-1地震波作用下，X方向位移最大為6.5mm；X方向的剪力值數(shù)值最大為142.2kN；Z方向的彎矩值數(shù)值最大為168.5kN·m，地震波沿X方向輸入時梁單元應力最大值為2.2MPa。如圖3所示，根據(jù)相關設計規(guī)范驗算后得到該淺埋式下穿通道單、雙室結構的抗震計算結果滿足設計及規(guī)范要求，且雙室結構相較于單室結構的震動波響應更小，雙室結構箱涵的抗震性能較單室結構更優(yōu)良。

由單、雙室箱涵的地震波位移響應時程曲線對比可知，位移大小的量級遠小于單室結構，雙室結構的位移大小較單室更為微弱。

圖3 X向T2-I-1波的單、雙室X向位移時程曲線

5 結論

通過對下穿通道框架結構進行有限元抗震性能計算分析，可得到以下結論：

表1 三種地震波作用下單室箱涵結構響應計算結果匯總表

1）將本結構的模型看作箱形彈性地基梁并在桿系有限元模型中建立相應的模型后，在Midas中用三種典型的地震波， 在 X、Y、Z、XY、XZ、YZ、XYZ 方向對模型分別加載后，從上述結果中可以看出，結構在各個工況下的位移變化曲線、內力大小、應力大小均符合設計及規(guī)范要求，結構抗震能力良好，滿足抗震設計要求。

2）由單室、雙室箱涵的各地震波響應分析結果對比可知，雙室箱涵的地震響應較單室箱涵更微弱，表明雙室結構比單室結構具有更好的抗震性能，驗證了其抗震性能的優(yōu)越性。此類框架式箱涵結構可在滿足結構使用功能的基礎上，保證良好的抵抗破壞性地震作用的能力。