城市大型地下互通含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究

王海峰，武 健，周秋龍，陳霧航

（1.南京城建隧橋智慧管理有限公司，江蘇 南京 210017；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

城市大型地下互通結(jié)構(gòu)的建設(shè)是完善城市功能的必然選擇[1]，對于大規(guī)模多層地下空間的開發(fā)，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是一個重要方面，尤其要重視結(jié)構(gòu)的抗震性能。在1995年阪神地震中，神戶市內(nèi)多處地下結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切、斜向龜裂等嚴(yán)重破壞[2]，地震對地下結(jié)構(gòu)的破壞會給震后修復(fù)帶來較大困難，因此，保證地下結(jié)構(gòu)的抗震安全具有重要的現(xiàn)實意義。

針對地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，學(xué)者們從現(xiàn)場勘測、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等方面做過很多研究，劉如山等[3]、Huo等[4]、刁玉紅等[5]通過擬靜力法求解結(jié)構(gòu)的非線性運動方程的解析解。韓潤波等[6]、Chen等[7]、劉晶波等[8]通過擬靜力試驗和振動試驗?zāi)M土體與結(jié)構(gòu)的震動響應(yīng)特性。高偉豪[9]、丁德云等[10]、伍興文等[11]、律清等[12]對地下交通結(jié)構(gòu)采用MIDAS、FLAC、ADINA等軟件進行有限元動力分析。研究地下空間結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)特性能為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供依據(jù)。目前對地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究主要集中在對地下空間結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[13-14]，較少結(jié)合地下空間結(jié)構(gòu)開發(fā)利用的特點提出抗震措施，從而進一步加大對地下結(jié)構(gòu)中閑置夾空層的開發(fā)利用。

本文采用數(shù)值計算的方法，建立含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系下的有限元計算模型。研究含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系在地震動力作用下的力學(xué)特性，分析節(jié)點處的抗震性能，進一步提出抗震構(gòu)造措施，優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

1 隧道夾空層空間工程地質(zhì)概況

惠民大道綜合改造工程位于南京市鼓樓區(qū)惠民路，場地隸屬于長江漫灘地貌單元，相對平緩，地面高程5.58～7.82 m，最大高差2.24 m。

該場地屬下?lián)P子地層區(qū)，古生代、中新生代地層比較齊全，巖性以粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主。區(qū)內(nèi)位于華北地震區(qū)長江中下游-南黃海地震帶內(nèi)，屬中強震活動區(qū)。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和《惠民大道綜合改造工程巖土工程勘察報告》，該工程設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為II類，場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。場地特征周期值為0.45 s。工程抗震設(shè)防分類為乙類，抗震等級為二級，按7度抗震設(shè)防烈度要求進行抗震驗算。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型設(shè)置

采用時程分析法進行地震效應(yīng)計算，同時也綜合考慮靜力荷載作用及地震動力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。為使結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計更加安全、經(jīng)濟，在一些大型、重要建筑設(shè)計中要考慮相互作用的影響，這里選取動力人工邊界和土動力本構(gòu)。

該次模型動力邊界采用黏彈性人工邊界，土體的動力本構(gòu)模型采用Morh-Coulomb模型。

結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)地層分布情況為：①1雜填土（1.6 m）+①2素填土（4.7 m）+②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土（23.4 m）。根據(jù)詳勘報告，各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型尺寸及初始條件

采用動力分析時，通常地震波的能量主要集中在0～10 Hz的頻率范圍內(nèi)，土體的最小剪切波速約為100 m/s，最短波長為10 m，因此計算中剪切波速傳播的主要方向即豎向單元尺寸不大于1 m即可滿足要求。當(dāng)土體的最小剪切波速為200 m/s時，豎向單元尺寸取2 m可滿足計算要求，如表2所示。

表2 土體參數(shù)取值圍

土層的選取范圍，一般頂面取地表面，底面取等效基巖面，水平向自結(jié)構(gòu)側(cè)壁至邊界的距離宜至少取結(jié)構(gòu)水平有效寬度的3倍[15]。

為能夠顯著反映地下結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)特性，選取阪神波作為基巖輸入的地震動，其中阪神波具有明顯的脈沖特性，截取作用時間為20 s，峰值加速度為2.2 m/s2（相當(dāng)于7度罕遇地震下設(shè)計基本地震加速度為0.2g地區(qū)的最大加速度），加速度時程曲線如圖1所示。地震動輸入時，按照三個方向同時輸入，即同時輸入一條P波和兩條S波，模擬真實地震情況。

圖1 阪神波地震加速度時程曲線

選取惠民大道地下典型斷面建立模型，如圖2（a）所示，隧道結(jié)構(gòu)頂板厚度為1 m，側(cè)墻及底板厚度均為1.2 m，中板及中隔墻厚度均為0.6 m。左側(cè)、中部下層都為匝道，中部上層為管廊層，其余空間為夾空層，右側(cè)緊鄰建筑。該段隧道圍護結(jié)構(gòu)形式為φ800@1 000鉆孔灌注樁，樁長為31 m，止水體系為φ850@600攪拌樁止水帷幕，樁長為19 m。隧道基礎(chǔ)采用裙邊+抽條加固的形式，加固深度為3 m。該工程圍護結(jié)構(gòu)作為臨時性結(jié)構(gòu)設(shè)計，圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為2 a，故研究抗震性能時不考慮圍護結(jié)構(gòu)影響。通過建立含夾空層隧道結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)夾空層中所需建設(shè)的功能房的要求對結(jié)構(gòu)驗算抗震性能，并提出抗震構(gòu)造措施以滿足結(jié)構(gòu)安全需求。土體模型尺寸為120 m×20 m×50 m，模型包含16 190個單元，22 054個節(jié)點以及10 263個彈簧阻尼器單元，如圖2（b）所示。

圖2 典型斷面模型

4 地震響應(yīng)分析

4.1 結(jié)構(gòu)的位移分析

根據(jù)典型斷面選取結(jié)構(gòu)頂板關(guān)鍵位置如圖3所示，其豎向位移時程變化規(guī)律如圖4所示。選取結(jié)構(gòu)底板關(guān)鍵位置如圖5所示，其豎向位移時程變化規(guī)律如圖6所示。選取結(jié)構(gòu)側(cè)墻關(guān)鍵位置如圖7所示，其豎向位移時程變化規(guī)律如圖8所示。選取結(jié)構(gòu)中隔墻關(guān)鍵位置如圖9所示，其豎向位移時程變化規(guī)律如圖10所示。

圖3 頂板關(guān)鍵位置選取

圖4 結(jié)構(gòu)頂板關(guān)鍵位置豎向位移-時程曲線

圖5 底板關(guān)鍵位置選取

圖6 結(jié)構(gòu)底板關(guān)鍵位置豎向位移-時程曲線

圖7 側(cè)墻關(guān)鍵位置選取

圖8 結(jié)構(gòu)側(cè)墻關(guān)鍵位置水平位移-時程曲線

圖9 中隔墻關(guān)鍵位置選取

圖10 結(jié)構(gòu)中隔墻關(guān)鍵位置水平位移-時程曲線

圖3至圖10給出了隧道結(jié)構(gòu)在阪神波作用下地震三個方向同時輸入時隧道結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測位置水平和豎向位移時程曲線。從圖中可以看出，在4.52 s時（對應(yīng)地震加速度峰值時間點），結(jié)構(gòu)的豎向位移達到最大，在4.64 s時，結(jié)構(gòu)的水平位移達到最大。統(tǒng)計峰值加速度時刻結(jié)構(gòu)各主要位置變形情況發(fā)現(xiàn)，頂板、底板的豎向最大位移和最小位移分別為42.7 mm、41.7 mm、42.63 mm、40.65 mm，側(cè)墻和中隔墻的水平位移最大值和最小值分別為44.46 mm、44.11 mm、40.97 mm、41.47 mm，說明在峰值加速度作用下，結(jié)構(gòu)差異沉降較小，表明結(jié)構(gòu)受力整體性較好。

從峰值加速度時結(jié)構(gòu)位移沿三個方向的云圖11可知，在峰值加速度時刻、水平地震作用下，結(jié)構(gòu)中隔墻發(fā)生了較大的剪切變形，變形主要位于中隔墻頂部和底部，設(shè)計時可通過在支座處設(shè)置加腋等措施加強支座剛度。在軸向地震作用下，結(jié)構(gòu)在地下二層底板位置出現(xiàn)較大的剪切變形，相對位移達3 mm。在豎向地震作用下，結(jié)構(gòu)沿隧道軸線出現(xiàn)剪切變形，剪切變形約為5 mm。

圖11 峰值加速度時的結(jié)構(gòu)位移云圖

4.2 層間位移角分析

為進一步分析結(jié)構(gòu)相對位移變化規(guī)律，選取結(jié)構(gòu)斷面和得到的層間位移角如圖12和圖13所示。當(dāng)計算到7 s時，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的剪切變形，2-2斷面位置相對位移較大。地下二層頂?shù)撞康南鄬λ轿灰撇钪颠_到2.36 mm，層間位移角為4.08×10-4（1/2450），根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50909—2014）規(guī)定的結(jié)構(gòu)抗震性能Ⅱ中的層間位移角的限值1/250。這里結(jié)構(gòu)相對位移也小于規(guī)范限制值，結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防要求。

圖12 結(jié)構(gòu)相對位移斷面選取

圖13 結(jié)構(gòu)不同位置層間位移角-時程曲線

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析

為揭示夾空層空間隧道在地震作用下的受力狀態(tài)變化和震害發(fā)展模式，得到了初始地應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖和輸入三向地震波持續(xù)時間內(nèi)不同時刻的最大主應(yīng)力云圖如圖14和圖15所示。初始應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力主要分布在頂板跨中位置，隨著地震動的加強，結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)側(cè)墻與中隔墻與層板的交界部位，這些部位均易于遭受拉破壞，是抗震構(gòu)造需要加固的區(qū)域。從最大主應(yīng)力大小變化和分布發(fā)展模式上分析震害的發(fā)生過程為：激振前期階段，側(cè)墻、中隔墻與層板連接部位的節(jié)點基本保持和初始狀態(tài)相同的受力，以受壓為主（圖15 a~b），隨著地震動的加強，層板對墻體的約束力減弱，側(cè)墻與中板的水平抗側(cè)剛度減小，當(dāng)?shù)卣饎舆_到一定強度和持時后，墻體頂部出現(xiàn)較大剪切變形，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力（圖15 c~d）。此后，原來由中隔墻承擔(dān)的荷載一部分轉(zhuǎn)移給側(cè)墻，發(fā)生內(nèi)力重分布（圖15 e~h），隧道結(jié)構(gòu)的側(cè)墻與頂板交叉部位在上覆土壓力和地震反復(fù)交變荷載的雙重作用下，發(fā)生更大的地震運動和變形，直至交叉部位的彎矩值超過結(jié)構(gòu)的受彎承載力設(shè)計值時，該部位產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲破壞之后，逐漸演變?yōu)樗苄糟q。

圖14 地應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖15 結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布

選取斷面的結(jié)構(gòu)節(jié)點如圖16所示，得到不同結(jié)構(gòu)節(jié)點所代表的空間最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力時程變化規(guī)律如圖17至圖22所示。在地震作用下，匝道底板與管廊側(cè)墻交界處節(jié)點以及夾空層空間中隔墻與頂板、中板和底板處節(jié)點均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，這些節(jié)點位置易產(chǎn)生受拉破壞。結(jié)構(gòu)頂、底板與側(cè)墻和中隔墻交界處節(jié)點在地震荷載作用下，處于受拉—受壓狀態(tài)的不斷轉(zhuǎn)變，節(jié)點處最大壓應(yīng)力值為6 MPa左右，位于管廊結(jié)構(gòu)地下二層側(cè)墻交點處，該處與土體直接接觸，產(chǎn)生了較大的拉、壓應(yīng)力，應(yīng)力值小于規(guī)范規(guī)定的C40混凝土軸心抗壓設(shè)計值19.1 MPa。

圖16 關(guān)鍵位置選取

圖17 匝道結(jié)構(gòu)節(jié)點最大主應(yīng)力時程曲線

圖18 匝道結(jié)構(gòu)節(jié)點最小主應(yīng)力時程曲線

圖22 夾空層結(jié)構(gòu)節(jié)點最小主應(yīng)力時程曲線

夾空層空間位置結(jié)構(gòu)中板與側(cè)墻交界處節(jié)點在地震反復(fù)荷載作用下，為不斷的受拉—受壓轉(zhuǎn)變狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值為6 MPa左右，由于該部分不與土體直接接觸且受到側(cè)墻的約束作用，應(yīng)力值小于頂板與底板應(yīng)力值，且小于規(guī)范要求的材料強度設(shè)計值。

圖19 管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點最大主應(yīng)力時程曲線

圖21 夾空層結(jié)構(gòu)節(jié)點最大主應(yīng)力時程曲線

綜上可知，在對惠民大道地下結(jié)構(gòu)空間的典型斷面的抗震性能分析基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置和易發(fā)生剪切破壞的位置采取一定措施，可保證結(jié)構(gòu)安全，同時也證明了上述結(jié)構(gòu)的夾空層具備可開發(fā)利用的價值，可結(jié)合周邊需求開展建設(shè)。

5 結(jié) 論

本文對含夾空層隧道結(jié)構(gòu)體系空間結(jié)構(gòu)的抗震性能分析和可用夾空層空間可利用性的研究，對關(guān)鍵位置提出有效的抗震措施，得到的結(jié)論如下：

（1）通過有限元分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，證明了可利用的夾空層斷面結(jié)構(gòu)安全，該夾空層空間可進行有效的開發(fā)利用；

（2）通過有限元分析了利用夾空層的斷面關(guān)鍵節(jié)點的地震響應(yīng)，分析了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的位移-時程以及層間位移角-時程關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地震荷載對于斷面關(guān)鍵節(jié)點的影響在抗震設(shè)計的范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計要求，對于關(guān)鍵位置可采取措施消除隱患。

圖20 管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點最小主應(yīng)力時程曲線