某海底沉管隧道風塔及下部結構抗震性能分析

臧 麒, 趙 杰, 尹訓強, 王桂萱

(大連大學 土木工程技術研究與開發中心, 遼寧 大連 116622)

0 引言

伴隨著我國近海及離岸工程的發展,沉管隧道的應用越來越普及,針對類似工程的抗震研究就顯得尤為重要,國內外研究沉管隧道的成果豐碩。就目前來看,國內外對實際近海及離岸工程項目抗震性能影響分析的研究并不全面,大多集中在海底隧道本身,缺乏對近岸建筑物(風塔等)的抗震性能分析。例如,馬超鋒等[1]構建了地鐵隧道模型并進行地震動力響應研究;邱軍領等[2]分析了沉管隧道三維地震響應下的相對位移、相對加速度、應力響應;張強[3]就沉管隧道出口段抗震分析考慮了多場耦合問題,并就這類問題進行了深入研究;胡成佑[4]采用多種方法分析了高聳結構在多種場地情況下的地震響應;黃曉陽等[5]針對結構復雜、特殊荷載眾多、薄弱環節眾多的高大型井塔結構進行了抗震設計研究;周長東等[6]基于增量動力分析法對鋼筋混凝土煙囪結構進行了地震易損性分析,并對煙囪結構的地震易損性進行了評估。這些學者對沉管隧道或高聳結構物作出了詳細的地震動力響應分析,但均缺乏對沉管隧道與其附屬結構物的聯合動力分析。陳清軍[7]雖然研究了地鐵車站-隧道-土相互作用體系在地震中的主體力學特征,然而針對近岸類似沉管隧道工程卻缺乏系統完善的研究。

余志武等[8]針對混凝土損傷本構的多樣性開展了較為深入的研究,并對國內外本構模型進行了總結與歸納。楊云浩等[9]探討了適用于硬巖的各向異性損傷模型在FLAC3D中的實現方法。劉軍等[10]基于熱力學原理推導出一種非線性損傷本構模型,并數值執行在FEM程序中。徐娜、池寅等[11-12]對混凝土損傷本構模型進行較為細化的研究。左熹等[13]對地鐵車站在地震作用下的二維塑性損傷進行了研究。王崢崢等[14]基于損傷能量方程對隧道結構進行地震反應分析。但都缺乏對整體結構進行有效完整的仿真模擬研究以及針對海底隧道風塔等大型近海構筑物的抗震性能分析。

本文針對某海底沉管隧道風塔及下部結構,運用大型商用結構分析軟件ANSYS和ABAQUS進行結構抗震性能分析,利用ANSYS軟件在彈性階段進行結構-地基系統的靜、動力有限元分析,ABAQUS軟件在彈塑性階段進行混凝土損傷研究。系統的研究風塔與其下部結構在彈性階段和塑性階段的變形與受力情況,探索其在地震作用下的變形與受力特征,為進一步研究近海隧道及其附屬構筑物抗震性能提供必要的參考意見。

1 荷載作用下的結構彈塑性響應分析方法

時程分析法原理是通過實際的地震動記錄進行抗震分析的一種方法[15]。其實質是將實際地震時測得的地震加速度數據輸入結構,根據結構動力學方程,通過數值方法求解結構的地震響應。本文采用的是動力彈塑性時程分析方法。

在ABAQUS通用有限元軟件中,以由Lee和Fenves[16]提出的屈服面作為混凝土損傷本構模型的基準,該屈服面也是基于Lubliner 模型[17],可考慮混凝土材料的拉/壓剛度退化。根據混凝土本構模型,構建非彈性混凝土本構模型;在此基礎上,依據能量等價原理,用等價應力替換,得出損傷本構模型(CDP)。

本文是在GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》[18]的基礎上,結合混凝土彈塑性損傷本構理論[19],在混凝土材料進入塑性狀態后,其拉、壓剛度降低如圖1～圖2,表明混凝土發生損傷,其損傷分別由dt和dc表示;反復荷載下材料拉、壓剛度的恢復,當荷載從受拉變為受壓時,混凝土材料的裂縫閉合,抗壓剛度恢復至原有的抗壓剛度;當荷載從受壓變為受拉時,混凝土材料的抗拉剛度不恢復。

依據上述采用該結構混凝土的塑性及其損傷本構模型。該模型基于各向同性假設,依據混凝土材料的受拉、受壓塑性區本構及能量損失原理,采用比例應變法對混凝土損傷模型進行構建。塑性本構及損傷模型見圖3。

圖1 混凝土受拉應力-應變曲線及損傷示意圖Fig.1 Tensile stress-strain curve and damagediagram of concrete

圖2 混凝土受壓應力-應變曲線及損傷示意圖Fig.2 Compressive stress-strain curve and damagediagram of concrete

圖3 混凝土塑性本構及損傷模型(CDP)Fig.3 Plastic constitutive and damage model of concrete (CDP)

2 工程概況

本研究是以某海底隧道風塔及其下部結構為工程背景,隧道通風系統集中排風一般是通過排風塔進行有組織高空點源排放,排風塔作為主要附屬建筑物,起到通風換氣的功能,是海底隧道得以正常運行的關鍵,同時對整體結構安全穩定性的影響顯著。風塔高約30 m,下部結構分為三層,包括隧道、設備區群、疏散樓梯及風井等。風塔主體結構的設計使用年限為100年,安全等級為一級;耐火等級按一類隧道設計。主體結構斷面圖與平面圖見圖4、圖5。

由于沉管隧道結構為近岸段,整體設備區呈現出較為復雜的多段變截面抬升態勢,且與隧道相接處存在大量通風井及風道,整體結構受力狀態復雜,抗震性能要求高,除了對其采用彈性分析,還需要對罕遇地震荷載下的結構進行彈塑性損傷分析。

3 風塔及下部結構體系建立

3.1 結構荷載輸入及人工邊界

運用ANSYS與ABAQUS有限元軟件建立結構整體的三維有限元模型,整體模型長105 m,寬42 m,高51.7 m,網格劃分為160 448個單元,180 702個節點,見圖6。

其輸入荷載條件:①永久荷載,主要考慮結構自重、覆土土壓力、靜水壓力、設備荷載等;②可變荷載,主要考慮風、潮汐、特殊側向土壓力、行車、人群等;③偶然荷載,主要考慮地震荷載。其荷載組合表列于表1。

本文針對工程需要,選取El Centro波、唐山波及一條人工波作為抗震分析中的輸入地震波。地震波波形圖見圖7。設防地震(50年超越概率10%)基巖峰值加速度取0.099g,罕遇地震(50年超越概率2%)的基巖峰值加速度取0.181g,豎直方向取水平方向2/3。

圖4 風塔斷面圖(單位:mm)Fig.4 Sectional view of wind tower (Unit:mm)

圖5 風塔平面圖(單位:mm)Fig.5 Plan view of wind tower (Unit:mm)

圖6 三維有限元分析模型Fig.6 Three dimensional finite element analysis model

表1 作用荷載組合

地震作用下,在地基和結構的外邊界處施加土彈簧來反映土結合相互作用效應,底部則考慮實際情況采用固接方式。

在此基礎上開展了設防地震作用下的彈性分析及罕遇地震作用下的彈塑性損傷分析。

3.2 單元類型及計算參數

在建立ANSYS整體模型中,結構單元選用SOLID185;MASS21單元用來代替壓重混凝土、設備荷載等;COMBIN(彈簧-阻尼器)單元來模擬邊界條件。

在建立ABAQUS整體模型中,梁及柱采用考慮剪切變形的三維Timoshenko梁二次單元B32模擬,鋼筋采用三維考慮剪切變形的Timoshenko梁線性單元B31。上下頂板以及側墻的網格單元形式采用4節點四邊形殼(shell)單元S4R進行模擬,局部采用少量3節點三角形單元S3R,重壓混凝土采用MASS質量單元模擬。殼單元與梁柱單元共節點,不考慮二者的相對位移。

圖7 地震波Fig.7 Seismic waves

主體結構采用防水混凝土,混凝土強度等級≥C45(28 d齡期)、≥C50(56 d齡期),抗滲等級為P8。墊層:C20細石砼;內部墊層(壓重)混凝土:C30,鋼筋:普通鋼筋HPB300和HRB400。混凝土及其他材料的靜動力參數列于表2。

表2 計算參數

4 結構整體靜動力響應分析

4.1 多重荷載組合下結構整體穩定性分析

4.1.1 模態分析

開展模態分析是防止結構共振、自激震蕩等嚴重破壞,了解結構的共振區域的關鍵。同時給設計提供一定指導,對計算模型校驗,驗證模型正確性,為進一步開展靜動力響應分析提供基礎。整體結構的前10階自振頻率范圍為[5.14 Hz,10.50 Hz],結合振型可以看出,結構的前三階振型分別為X向平動(5.14 Hz)、Y向平動(5.77 Hz)、扭轉(6.93 Hz),從而判斷體系合理性。振型圖見圖8。

圖8 振型圖Fig.8 Vibration mode diagram

4.1.2 地震作用下層間位移角

層間位移角作為衡量結構破壞級別的重要參數,可以直觀了解結構整體的破壞程度。彈性分析階段輸入設防地震波,彈塑性分析階段輸入罕遇地震波。分析表明,結構各層層間位移角均滿足規范要求,其中設防地震條件下1<800,罕遇地震條件下1<100。考慮到水平X、Y向截面形式,所以參考下表得出,不同方向在不同地震條件下的位移角變化規律也進一步驗證了數值分析的合理性。結構層間位移角見表3。

表3 不同標準下的層間位移角對比

4.2 多重荷載組合下的塑性分析

4.2.1 塑性階段結構應變對比分析

應變分析是了解結構應變狀態及其空間變化狀態的關鍵手段,針對本文研究內容,在有限元軟件(ABAQUS)中導入上述混凝土塑性本構及損傷模型,并就結構塑性階段進行較完善的分析。就應變而言,不同罕遇地震作用下,應變規律相似,較大應變均為風塔根部后側(X軸正向)靠近左側(Z軸正向)區域,也表明左側整板施工方式具有一定風險是結構的薄弱區,人防丼雖然有加筋梁,但相較于前側整體性較差,就分析結果而言,該區域值得關注。應變最大時刻(20 s)如圖9,由于篇幅原因只列出El Centro地震波的變形圖。

圖9 El Centro地震波塑性階段變形圖Fig.9 Deformation in plastic stage under EL Centro wave

4.2.2 罕遇地震效應下塑性損傷分析

在罕遇地震效應下,運用時程分析方法對結構進行塑性動力響應計算分析,整個地震過程中,選取出損傷破壞最大時刻,不同罕遇地震下結構的拉壓損傷最大時刻均發生在20 s,損傷區域在風塔根部,具體損傷情況可由損傷云圖了解。就損傷情況而言,結合上述位移應變情況,可以進一步驗證風塔下部支撐柱及后側人防丼為結構薄弱區。由于篇幅原因只列出El Centro地震波的損傷云圖,見圖10。

為了對拉壓損傷破壞有更準確的判斷,選取典型單元:E40924,其單元節點有5個,節點號分別為272、252、258、261、38993,依次編作IP1～5。單元形式為四棱錐,位于風塔底部環向承臺X軸正向損傷典型區域處。通過高斯積分點推導破壞系數時程曲線,得出不同罕遇地震波條件下的最大拉壓破壞系數(表4),分析結果顯示出結構壓縮損傷系數大致在0.64～0.87之間,結構拉伸損傷系數大致在0.71～0.92之間,由此可以判斷結構安全可靠性滿足設計要求,但需要注意的是拉伸破壞系數明顯高于壓縮破壞,進一步說明風塔X軸正向與底板連接處為結構易受拉破壞區域。針對風塔結構特殊性,且臺風及地震等對風塔構筑物的影響顯著,所以防止結構傾覆應著重關注,同時風塔底部與人防井相連處的薄弱層也應該是關注重點。

圖10 結構損傷云圖Fig.10 Structural damage diagram

為驗證地震作用下結構損傷的合理性,在罕遇地震分析的基礎上,對設防地震情況也作出統一分析,結果顯示,設防地震的損傷破壞系數曲線明顯優于罕遇地震,在14 s處才出現加速損傷現象,而罕遇地震作用下的單元在7 s后即進入損傷破壞階段。驗證了塑性時程分析的合理性。壓縮破壞系數曲線見圖11。

表4 罕遇地震波條件下的最大拉壓破壞系數

圖11 壓縮破壞系數曲線Fig.11 Compressive failure coefficient curve

5 結論

利用ANSYS、ABAQUS軟件開展對某海底沉管隧道風塔及下部結構抗震性能分析,得出設防地震條件下的結構動力響應結果和罕遇地震條件下的塑性損傷分析結果表明:

(1) 設防地震分析結果表明結構整體性能良好;周期、振型以及層間位移角等均滿足規范要求。

(2) 罕遇地震作用下,結構的應變分析結果表明,其峰值發生在地震波峰值時刻;損傷區域集中在風塔底部與人防井接觸部位,針對風塔特殊性,應著重考慮結構傾覆問題。選取典型損傷單元,對比最大拉壓破壞系數,結果表明結果安全可靠性滿足設計要求。