裝配式城市綜合管廊結構抗震性能分析

李 妍 孟志穎

吉林建筑大學土木工程學院（130118）

我國現行規范及相關設計準則對于綜合管廊抗震設計的提及相對較少，在抗震設計中，綜合管廊的抗震設計多依照地鐵車站等地下結構的相應規范，如多數在抗震設計時參考《建筑抗震設計規范GB50011—2010》中針對地下建筑進行抗震設計。我國對于裝配式綜合管廊的的結構設計主要參照《裝配式混凝土結構技術規程JGJ1—2014》，此規程在結構設計時僅考慮在靜力學層面，并未大篇幅考慮抗震設計。在《城市軌道交通結構抗震設計規范GB50909—2014》中，規范明確指出了地下結構必須進行抗震設計[1-3]。我國近年來也不斷地在進行裝配式綜合管廊的研究工作。同濟大學薛偉辰等人是國內第一批對裝配式綜合管廊結構進行研究的團隊，其團隊以上海世博會裝配式綜合管廊為模型，對綜合管廊的破壞形式、結構內力分布、極限狀態下的承載力及結構抗變形承載力等進行了詳細的研究。但研究的工作重心是結構的靜力分析，對于結構動力學并未過多提及。我國的裝配式城市綜合管廊施工技術有將現澆混凝土和預制混凝土構件澆筑結合的半預制技術，將預制好的混凝土塊體利用專門設備拼裝的預制節段拼裝技術、減少吊重便于運輸的分塊預制拼裝技術以及側板和頂板采用疊合結構的疊合整體式預制拼裝技術和盾構法與頂管施工技術。其各技術都相對成熟，且優點突出,與傳統的全現澆技術大大不同。無論在水平方向還是在豎直方向的連接都更加安全可靠，適用于各種基礎的管道廊道施工。裝配式綜合管廊在施工時間、質量、經濟、難度等方面都具有巨大的優勢。大幅度提高了管廊建設效率，已成為現代化城市建設的首要選擇，極大的改善了人們的居住舒適度和城市承載力。

1 裝配式綜合管廊工況分析

文章主要研究預制裝配式綜合管廊結構的抗震性能，通過有限元軟件ABAQUS對兩種尺寸的裝配式綜合管廊進行數值模擬分析，以探討裝配式綜合管廊的抗震性能及增大尺寸來方便檢修的綜合管廊對其抗震性能的影響[4]。

2 管廊模型的選取與設計

裝配式管廊截面形狀主要有方形和圓形兩大類。圓形截面雖然具有良好的受力性能，但是其在空間利用上遠不如方形管廊，因為方形管廊在連接形式與連接效果和通行方面更具優勢，已經成為城市綜合管廊的主要截面類型。因此本次模擬采用方形截面管廊（如圖1所示）。

圖1 文章中模擬的綜合管廊示意圖

2.1 材料屬性

參考相關規范規定此預制裝配式管廊采用C60高強混凝土，彈性模量為3.65×104MPa，泊松比為0.167，密度為2450kg/m3混凝土。配筋選用直徑分別為18mm與20mm的HRB400級鋼筋，彈性模量為2.05×102MPa,泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

2.2 受荷計算

計算此次模擬所用荷載時，根據實際工況管廊埋深2m，考慮道路車輛等荷載，進行荷載計算。其中，管廊結構上的作用包括以下幾個部分:

1）永久荷載:土壓力、結構主體及收容管線自重、預應力等

2）可變荷載:人群荷載、地面車輛荷載、凍脹力、水壓力等（對于雪荷載、風荷載，因管廊屬于地下結構，受雪、風荷載影響較小，本論文不予考慮。）

3）荷載組合:采用恒荷載+活荷載。

綜合管廊所受荷載計算如圖2所示。

圖2 綜合管廊受荷載示意圖

3 數值模擬

3.1 數值模擬方法——有限單元法

有限單元法的分析是指將整體連續的結構離散成多個小型有限單元，并且每一個有限單元通過軟件設定有限多個節點，再將整體連續的結構看做是在設定的單元節點處相互連接的一組單元的集合結構。然后用每個單元內所假設的近似插值函數，在選定的場函數分區域來表示在所有求解域內的基本未知量。進而利用力學上的等效變分原理或加權余量法去建立用以求解基本未知量的代數方程組或常微分方程組，從而將一個節點連續結構的無限自由度問題轉化成為離散域中的自由度問題。

3.2 建模得到的管廊有限元模型

管廊模型選用方形管廊，管廊的尺寸分別為GL1:長3000mm、寬2000mm、高2600mm和GL2:長3500mm、寬2000mm、高3200mm，壁厚均為300mm,帶有企口200mm和可以允許工人正常穿行，如圖3所示[5-6]。

圖3 管廊有限元模型

3.3 網格的劃分及加載方式

1）網格劃分是進行有限元分析非常重要的一步，網格劃分的情況對最終分析結果的精度有很大的影響，一般來說網格越密，計算結果就越接近真實結果，但相應的計算時間也會因此變得更長，而降低了計算效率。因此本次模擬對模型進行了合理的切割平面來更好地方便模型的計算與分析，網格劃分密度為100mm，混凝土單元類型為C3D8R,鋼筋單元類型為桁架單元T3D2，網格劃分如圖4所示。

圖4 有限元模型網格劃分

2）本次模型共2個分析步，初始定義的分析步為預制管廊受頂部荷載與水平土壓力的作用，鋼筋與管廊混凝土的關系為鋼筋內置，各接觸面接觸關系穩定。第二個分析步為通過編輯位移幅值的方法在水平方向施加位移往復荷載（如圖5所示）。

圖5 水平加載方式

3.4 數值模擬結果分析

經數值分析作業后，兩種尺寸的管廊可視化結果如圖6所示。

從整體變形圖中可以看出，兩種尺寸的管廊在相應的頂部荷載與水平荷載作用下，其變形位置與變形程度均無明顯差異。

由模擬結果可以得出，隨著荷載的逐漸增大，預制管廊從兩側頂部開始出現破壞，隨著荷載地繼續增大，預制管廊頂部也隨之出現破壞，直至出現較輕的的彎曲變形。由圖6可以看出，預制管廊模型中出現應力最大的位置為管廊前后的接頭位置，為抗震設計時需考慮的關鍵部位[7]。

圖6 有限元分析模擬圖

對兩個預制綜合管廊模型施加低周往復荷載得到的滯回曲線如圖7所示，本預制管廊模型未考慮鋼筋的滑移因素，因此本模型的滯回曲線未產生捏縮現象，表現為較為飽滿的近似梭形的形態。在往復荷載作用下，模型的塑性損傷逐漸增大，剛度逐漸退化，承載能力隨之下降，由此可以得出此預制管廊模型的抗震性能較穩定，耗能能力較好。通過對比分析，GL1與GL2相比具有較好的承載能力與抗震性能,但影響較小，在實際工況中可以適當選擇較大尺寸的管廊來解決施工修檢工作[8]。

圖7 滯回曲線

4 結語

文章通過對預制裝配式城市綜合管廊的在實際工況下的抗震性能數值模擬分析及在加大尺寸方便檢修的情況下對綜合管廊抗震性能的對比，得到模擬圖像及繪制其滯回曲線，分析得出以下結論:

1）在實際工況下，預制綜合管廊模型的應力分布情況均勻，結構安全可靠。可作為預制綜合管廊抗震研究的對象。預制綜合管廊模型的最大應力位置為管廊前后的接頭部位，在管廊結構抗震設計時，應重點考慮接頭部位。

2）通過觀察兩個預制管廊模型得出的滯回曲線，出現剛度退化，具有一定的耗能能力，本次模型未考慮鋼筋的滑移因素，故曲線形態較為飽滿。對比分析兩個管廊的滯回曲線可以得出，與尺寸較大管廊(GL2)相比，尺寸較小管廊(GL1)，抗震性能較好，但對實際工況影響不大，故在實際工況中，可以通過適當加大預制綜合管廊的尺寸來解決方便后期施工檢修的工作。