淺談綜合管廊在地震荷載作用下研究現(xiàn)狀

王洪宇　王皓　郜品一

摘 要：本文主要介紹地下綜合管廊的破壞形態(tài)，指出研究地下綜合管廊抗震性能的必要性，闡述兩種地下結(jié)構(gòu)抗震的理論與計(jì)算方法，并對(duì)兩種計(jì)算方法進(jìn)行步驟及特點(diǎn)予以說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；破壞形態(tài)；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：TU990 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、綜合管廊在地震荷載作用下破壞形態(tài)

當(dāng)今，地下綜合管廊的建設(shè)與發(fā)展已迫在眉睫，生產(chǎn)有重大影響的工程系統(tǒng)被人們形象地稱之為生命線系統(tǒng)。然而人們對(duì)于地震所帶來(lái)的對(duì)地下設(shè)施的危害卻沒(méi)有太深刻的認(rèn)識(shí)，1976年，唐山7.8級(jí)地震，使這個(gè)有百萬(wàn)人口的工業(yè)重鎮(zhèn)遭受滅頂之災(zāi)，瞬間夷為平地，而這場(chǎng)地震也導(dǎo)致唐山市區(qū)地下200多km供水管線全線癱瘓，燃?xì)狻⒚簹夤芫€多處發(fā)生爆炸，對(duì)抗災(zāi)救援以及災(zāi)后重建工作造成了極大的阻礙。距離關(guān)東地震震源10km左右地下通道被地震荷載拉裂產(chǎn)生裂縫以及崩塌現(xiàn)象，破壞形態(tài)主要體現(xiàn)為在施工縫處產(chǎn)生了位置錯(cuò)動(dòng)。地下結(jié)構(gòu)的破壞主要出現(xiàn)在地質(zhì)條件變化較大地段、地下結(jié)構(gòu)截面變化處以及埋藏較淺的地下結(jié)構(gòu)受到地震荷載影響也十分明顯。地震對(duì)于地下管廊的破壞大抵有如下規(guī)律：

（1）地震強(qiáng)度越大，管線破壞程度越嚴(yán)重。

（2）管線的材料不同，地震所造成的危害也不同，大抵按石棉水泥管、塑料管、鑄鐵管、延性鑄鐵管的順序，地震震害逐漸減輕。

（3）剛性接口的管線震害大于柔性接口的管線震害。

（4）管線越細(xì)震害越嚴(yán)重。

二、綜合管廊抗震兩種設(shè)計(jì)方法

對(duì)于地下綜合管廊的抗震有很多，現(xiàn)主要有以下兩種分析方法。

靜力彈塑性分析方法是一種介于彈性分析和動(dòng)力彈塑性分析之間的方法。其理論核心是“目標(biāo)位移法”和“承載力譜法”。最為關(guān)鍵的地方則在于建筑結(jié)構(gòu)所承受的側(cè)向荷載的分布模式，而相對(duì)次要的則是建筑所受荷載的加載方式。地下抗震工程中，應(yīng)變傳遞法、反應(yīng)位移法等多種設(shè)計(jì)計(jì)算方法都可歸為擬靜力彈塑性分析法一類。對(duì)于地下管廊來(lái)說(shuō)，在地震作用下受力主要以體積力為主，由此而知，在對(duì)地下管廊系統(tǒng)進(jìn)行擬靜力分析時(shí)，需在計(jì)算模型中施加水平慣性體積力。具體步驟如下：

（1）首先應(yīng)建立自由場(chǎng)模型，依據(jù)已知的土樣參數(shù)，進(jìn)行地震波作用下的土層反應(yīng)與分析。進(jìn)行計(jì)算求解出自由場(chǎng)土體沿深度分布的水平等效加速度。

（2）最后，則需要建立一個(gè)地下管廊有限元模型，在其底部采取固定邊界，在兩側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)采用豎直向約束，水平向采用自由形式。按照地下管廊周圍土層的所在位置逐步施加上一步中得到的沿深度分布的水平慣性加速度，至于地下管廊模型中的結(jié)構(gòu)部分也按照其所在周圍土層的深度位置作用水平等效慣性加速度，然后按照慣性有限元方法進(jìn)行求解。

地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）概念清晰明了，可以準(zhǔn)確地反應(yīng)土與結(jié)構(gòu)間的相互作用，又不用考慮相互作用中的計(jì)算系數(shù)；同時(shí)還可以考慮比較復(fù)雜的斷面形式以及地質(zhì)條件的影響。

（2）地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法中的水平等效慣性加速度的求解方法較為簡(jiǎn)單，并且容易在土與結(jié)構(gòu)模型中施加，方便在設(shè)計(jì)時(shí)的工作人員使用。

（3）這種方法可以考慮強(qiáng)地震作用下土與結(jié)構(gòu)非線性的影響，以便實(shí)現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的地震發(fā)生時(shí)作用的彈塑性分析。

反應(yīng)位移法采用土-結(jié)構(gòu)相互作用模型來(lái)直接反應(yīng)土體與結(jié)構(gòu)間的相互作用，可以避免引入地基彈簧帶來(lái)的計(jì)算量和計(jì)算誤差。整體式反應(yīng)位移法是一個(gè)精度高、計(jì)算簡(jiǎn)便、適用性很強(qiáng)的擬靜力計(jì)算方法，可以用于地下結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計(jì)中。對(duì)于復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)，已經(jīng)不適用進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，所以才提出了整體式反應(yīng)位移法。具體步驟如下：

（1）計(jì)算出自由場(chǎng)地地震反應(yīng)。設(shè)立自由場(chǎng)形式，進(jìn)行輸入地震作用下的土層地震反應(yīng)分析，并且計(jì)算出所對(duì)應(yīng)位置的土體變形和土體加速度。

（2）計(jì)算出等效的地震的動(dòng)荷載。建成不間斷的自由場(chǎng)土體的有限元形式。在地下管廊的結(jié)構(gòu)模型的相對(duì)應(yīng)位置施加求得的土體變形，計(jì)算出結(jié)構(gòu)反力。計(jì)算出結(jié)構(gòu)慣性力。得出的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)模型位置處的反應(yīng)加速度，作用于結(jié)構(gòu)上作為結(jié)構(gòu)慣性力。

（3）構(gòu)建地下結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析。構(gòu)建土-結(jié)構(gòu)的作用模型，將結(jié)構(gòu)模型的邊界固定，并且采用第二步與第三步中得出的地震作用，依據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

地下管廊抗震反應(yīng)分析整體式反應(yīng)位移法的特點(diǎn)：

（1）整體式反應(yīng)位移法與一般動(dòng)力有限元方法相比，這種方法不需要進(jìn)行其他的分析計(jì)算，僅需進(jìn)行自由場(chǎng)地上的土體地震反應(yīng)討論與計(jì)算，防止了對(duì)土體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)力作用分析，在確保計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)，極大地減少了問(wèn)題中的不確定性，為設(shè)計(jì)人員提供了便利。

（2）與普通的反應(yīng)位移法相比較來(lái)說(shuō)，這種方式的概念較為清晰，按照土體結(jié)構(gòu)的有限元模型來(lái)清楚地體現(xiàn)出土體與建筑物之間的互相作用，減少了地基中的彈簧系數(shù)所帶來(lái)的復(fù)雜性，增強(qiáng)計(jì)算準(zhǔn)確度的同時(shí)減少了工作量。

研究抗震反應(yīng)以及抗震分析與計(jì)算，在兩種方法之間顯然第二種方法較為簡(jiǎn)單與全面。對(duì)于地下綜合管廊的抗震實(shí)例來(lái)說(shuō)，兩種方法各有所長(zhǎng)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析，以便于選擇出更好的方法進(jìn)行研究與計(jì)算。

結(jié)語(yǔ)

因此，在城市現(xiàn)代化速度越來(lái)越快的今天，城市地下綜合管廊的建設(shè)已經(jīng)逐漸完善，不過(guò)我們對(duì)于地震災(zāi)害對(duì)地下結(jié)構(gòu)的危害還認(rèn)識(shí)得不夠透徹，所以我們更加應(yīng)該重視地下綜合管廊的抗震措施，加大對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震的研究力度，使得地下綜合管廊抗震理論逐步完善起來(lái)。

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