預(yù)制拼裝綜合管廊縱向拼縫抗震性能分析*

盧辰 雷晗 華凱

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092； 2.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司 200092)

引言

城市地下綜合管廊是用于容納給水、 天然氣、 熱力、 電力、 通信、 再生水、 污水、 雨水等市政管線的地下廊道, 因此綜合管廊也被稱為城市的生命線工程。 近二十年來多場(chǎng)大地震災(zāi)害表明, 類似綜合管廊的地下結(jié)構(gòu)抗震性能并不非?？煽? 因此解決綜合管廊抗震問題已經(jīng)成為城市抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究中的重要工作。

隨著綜合管廊的大規(guī)模建設(shè)以及綠色建造技術(shù)的發(fā)展, 綜合管廊預(yù)制拼裝技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。 按結(jié)構(gòu)形式的不同, 預(yù)制拼裝綜合管廊分為僅有縱向拼縫和同時(shí)具有縱、 橫向拼縫兩類, 如圖1 所示。 根據(jù)大量震害實(shí)例, 接縫處通常為綜合管廊薄弱部位, 在地震時(shí)容易發(fā)生拉開、 錯(cuò)動(dòng), 甚至斷開, 因此對(duì)預(yù)制拼裝綜合管廊的抗震研究主要應(yīng)以拼縫的抗震性能研究為主。

本文以鹽城市東進(jìn)路東延地下管廊工程中的預(yù)制拼裝管廊為例, 運(yùn)用反應(yīng)位移法原理, 對(duì)縱向拼縫的抗震性能進(jìn)行分析。

圖1 預(yù)制管廊拼縫示意[1]Fig.1 Joint sketch of prefabricated utility tunnel

1 縱向拼縫在地震反應(yīng)下的變形特征

預(yù)制拼裝綜合管廊的縱向拼縫形式主要分為柔性接口和剛性接口[2]。 柔性接口中承插口內(nèi)嵌雙膠圈并結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋張拉連接的形式應(yīng)用比較廣泛, 一般用于明挖法施工的管廊, 剛性接口中鋼承口結(jié)合平接口的形式比較多見, 一般用于頂進(jìn)法施工的管廊。

兩種拼縫接口的共同特點(diǎn)是預(yù)制管節(jié)之間沒有傳力鋼筋或螺栓連接, 因此不能傳遞沿管廊縱向的拉力, 但可以通過橡膠圈傳遞沿管廊縱向的壓力。 對(duì)于柔性接口, 若設(shè)置預(yù)應(yīng)力張拉筋約束拉緊各節(jié)管廊, 可以傳遞部分拉力, 但數(shù)量少,作用有限。

管廊結(jié)構(gòu)剛度較大而密度小于地層, 其在地震作用下的縱向變形取決于管廊周圍地層的位移, 包括與管廊縱軸平行的縱向位移和與管廊縱軸垂直的橫向位移。 相鄰管節(jié)在地震反應(yīng)下的相對(duì)變形即為縱向拼縫處的變形, 按照反應(yīng)位移法原理, 與管廊縱軸垂直方向的橫向地震位移成正弦分布, 對(duì)縱向拼縫變形起主要作用, 如圖2所示。

圖2 縱向地震反應(yīng)示意Fig.2 Sketch of longitudinal seismic response

在縱向地震作用下, 地層橫向位移存在位移差, 預(yù)制管節(jié)端部出現(xiàn)受拉區(qū)及剪切區(qū), 造成縱向拼縫可能出現(xiàn)拉開、 錯(cuò)動(dòng)等變形, 由于相鄰管節(jié)之間沒有傳力鋼筋或螺栓連接, 變形過大時(shí)就會(huì)造成破壞。 因此對(duì)于縱向拼縫抗震性能的評(píng)估主要是計(jì)算其在地震反應(yīng)下的變形量是否超出了允許值。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

鹽城市東進(jìn)路東延地下管廊工程總長(zhǎng)度約2km, 入廊管線包括: 給水、 通信、 110kV 及10kV 電力電纜等, 斷面形式如圖3 所示, 為(2.6m+3.0m) ×3.0m 的兩艙斷面, 外輪廓總尺寸為6.6m ×3.7m, 采用預(yù)制拼裝法施工, 管廊僅設(shè)置縱向拼縫, 單節(jié)長(zhǎng)2m, 重量約400kN。管廊主體結(jié)構(gòu)采用C40 防水混凝土, 抗?jié)B等級(jí)為P8。

圖3 綜合管廊斷面Fig.3 Cross-section of utility tunnel

工程建設(shè)場(chǎng)地為典型的軟土地基, 地基承載力特征值為50kPa。 為適應(yīng)軟土地基的不均勻沉降, 拼縫采用承插口內(nèi)嵌雙膠圈并結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋張拉連接的形式, 密封膠圈采用三元乙丙彈性橡膠和遇水膨脹彈性橡膠, 如圖4 所示。 管節(jié)采用兩節(jié)一張拉, 預(yù)應(yīng)力筋張拉力為150kN, 同時(shí)對(duì)地基土進(jìn)行水泥土攪拌樁加固。

工程抗震設(shè)防類別為乙類, 場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度, 設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g, 設(shè)計(jì)地震分組為第二組, 場(chǎng)地類別為Ⅳ類, 場(chǎng)地土類型為軟弱土。

2.2 反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法[3]是目前地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中常用的一種方法, 它是將土層動(dòng)力反應(yīng)位移的最大值作為強(qiáng)制位移施加于結(jié)構(gòu)上, 按照靜力原理計(jì)算內(nèi)力。 該方法能夠較準(zhǔn)確地反映地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn), 物理概念明確, 并且實(shí)現(xiàn)過程較為方便。 目前該方法已經(jīng)編入我國(guó)多本設(shè)計(jì)規(guī)范中, 且在《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50909—2014)[4](以下簡(jiǎn)稱《城軌抗規(guī)》)中提供了實(shí)用計(jì)算方法。

圖4 縱向拼縫構(gòu)造Fig.4 Construction of longitudinal joint

利用反應(yīng)位移法計(jì)算得出土體強(qiáng)迫位移的施加值, 計(jì)算方法如式(1)和式(2)所示。 在有限元模型中, 通過土體位移與土彈簧剛度的乘積作為土體強(qiáng)迫力施加在結(jié)構(gòu)兩側(cè)。

式中:u(z)為地震時(shí)深度z處土層的水平位移；umax(z)為水平峰值位移；u(x,z)為坐標(biāo)(x,z)處地震時(shí)的土層水平位移；H為設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面的深度；L為土層變形的波長(zhǎng), 即強(qiáng)迫位移的波長(zhǎng)；L1為表面土層變形的波長(zhǎng)；L2為基巖變形的波長(zhǎng)；VSD為表面土層的平均剪切波速；VSDB為基巖的平均剪切波速；Ts為考慮土層地震應(yīng)變水平的土層場(chǎng)地特征周期。

2.3 有限元計(jì)算

1.有限元建模

本文采用通用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)預(yù)制綜合管廊縱向拼縫在橫向地震作用下的變形進(jìn)行分析。

《城軌抗規(guī)》中建議在對(duì)線形的地下結(jié)構(gòu)做橫向抗震分析時(shí), 可以將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧獊砟M。 但是本文涉及的預(yù)制裝配式綜合管廊, 每2m 為一個(gè)預(yù)制段, 而且研究的對(duì)象是預(yù)制段拼縫處截面不同部位的相對(duì)變形, 因此采用殼單元Shell181 來模擬管廊主體結(jié)構(gòu)。 管廊拼縫處的橡膠條只傳遞壓力不傳遞拉力, 采用單向彈簧單元Combin39 模擬。 管廊外壁板兩側(cè)的土彈簧同樣也用只受壓力不受拉力的單向彈簧單元Combin39來模擬, 每一個(gè)土彈簧的作用范圍為一個(gè)網(wǎng)格單元。

以雙艙管廊作為模擬對(duì)象, 管廊覆土厚度2.5m, 每一節(jié)預(yù)制段長(zhǎng)度2m, 管廊的寬度取6.6m, 高度取3.7m, 頂板、 外壁板、 底板厚度350mm, 中壁板厚度300mm。 表面土層平均剪切波速VSD=130m/s, 場(chǎng)地特征周期Ts=0.75s, 取基巖的平均剪切波速VSDB=1000m/s, 由此算得強(qiáng)迫位移波長(zhǎng)L= 172m。 由《城軌抗規(guī)》查得umax,Ⅱ=0.07m, 場(chǎng)地地震動(dòng)峰值位移調(diào)整系數(shù)Γu=1.5, 可得umax=0.105。 由于管廊埋深相比較于設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面深度很小, 近似取u(z) =umax/2 =0.0525m。 土的基床系數(shù)取1 ×104kN/m2。 選取兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行分析, 管廊有限元模型如圖5 所示。

2.有限元計(jì)算結(jié)果

對(duì)有限元模型做靜力求解, 預(yù)制管廊的位移結(jié)果如圖6 所示。

圖6a 為管廊的橫向位移云圖, 由圖可知預(yù)制管廊在地震作用下, 橫向變形在每一節(jié)預(yù)制段范圍內(nèi)趨近于定值, 分析原因?yàn)橥翉椈傻膭偠群徒Y(jié)構(gòu)剛度相比較小, 在管廊結(jié)構(gòu)一側(cè)施加的地震強(qiáng)迫位移作用下, 管廊另一側(cè)的土彈簧并不能很好地限制該位移。 相鄰兩段的橫向變形分別為-2.11mm 和2.17mm, 拼縫處的相對(duì)位移值達(dá)到4.28mm。

圖6 管廊位移云圖(單位: m)Fig.6 Displacement profile of utility tunnel (unit: m)

圖6b 為管廊的縱向位移云圖, 由計(jì)算結(jié)果可知, 預(yù)制管廊的相鄰預(yù)制段之間有變形差, 即縱向拼縫有拉開的趨勢(shì), 主要位置在管廊橫斷面的四個(gè)角點(diǎn)處, 差值為1.4 ×10-4mm。 從實(shí)際工程上來說, 該拼縫的張開量很小, 可以忽略不計(jì), 但這從側(cè)面反映了在四個(gè)角點(diǎn)處設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋張拉連接的合理性。

圖6c 為管廊的豎向位移云圖, 由圖可知水平向的土體強(qiáng)迫位移也會(huì)引起管廊豎向的變形,主要發(fā)生部位是在預(yù)制管廊頂板和底板拼縫處靠近每一個(gè)艙室中軸線位置, 變形量在1mm 內(nèi),但相鄰預(yù)制段的相對(duì)變形量為0。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn), 預(yù)制管廊之間的相對(duì)變形以橫向位移最為突出, 即縱向拼縫在與管廊縱軸垂直的橫向地震位移作用下的變形以剪切錯(cuò)動(dòng)為主, 但最大剪切錯(cuò)動(dòng)值不超過5mm, 仍能滿足設(shè)計(jì)要求。 本案例中的抗震設(shè)防烈度為7 度, 表明在低烈度的地震作用下預(yù)制拼裝綜合管廊具有較好的抗震性能, 但在高烈度地震作用下的管廊地震反應(yīng)需進(jìn)一步研究, 若變形過大可能會(huì)造成承插口混凝土及橡膠條的剪切破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

預(yù)制拼裝管廊的縱向拼縫在橫向地震作用下的變形以剪切錯(cuò)動(dòng)為主, 最大變形量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 縱向拼縫有拉開的趨勢(shì), 主要位置在管廊橫斷面的四個(gè)角點(diǎn)處。 在低烈度的地震作用下預(yù)制拼裝綜合管廊具有較好的抗震性能, 但對(duì)于高烈度的地震需進(jìn)一步研究。

由于反應(yīng)位移法只是一種近似地震計(jì)算方法, 土體基床系數(shù)、 橡膠彈簧剛度等參數(shù)取值與實(shí)際可能存在一定差距, 今后應(yīng)在工程實(shí)踐中積累資料, 不斷修改和完善。