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(tuán)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(duì)于大規(guī)模多層地下空間的開(kāi)發(fā)，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是一個(gè)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(duì)地下結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)給震后修復(fù)帶來(lái)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(shí)意義。

針對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，學(xué)者們從現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面做過(guò)很多研究，劉如山等[3]、Huo等[4]、刁玉紅等[5]通過(guò)擬靜力法求解結(jié)構(gòu)的非線性運(yùn)動(dòng)方程的解析解。韓潤(rùn)波等[6]、Chen等[7]、劉晶波等[8]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M土體與結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)特性。高偉豪[9]、丁德云等[10]、伍興文等[11]、律清等[12]對(duì)地下交通結(jié)構(gòu)采用MIDAS、FLAC、ADINA等軟件進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治觥Ｑ芯康叵驴臻g結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性能為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究主要集中在對(duì)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(kāi)發(fā)利用的特點(diǎn)提出抗震措施，從而進(jìn)一步加大對(duì)地下結(jié)構(gòu)中閑置夾空層的開(kāi)發(fā)利用。

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

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(chǎng)地隸屬于長(zhǎng)江漫灘地貌單元，相對(duì)平緩，地面高程5.58～7.82 m，最大高差2.24 m。

該場(chǎng)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(zhǎng)江中下游-南黃海地震帶內(nèi)，屬中強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(bào)告》，該工程設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為II類，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。場(chǎng)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(jí)為二級(jí)，按7度抗震設(shè)防烈度要求進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型設(shè)置

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

該次模型動(dòng)力邊界采用黏彈性人工邊界，土體的動(dòng)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(bào)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(dòng)力分析時(shí)，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(zhǎng)為10 m，因此計(jì)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(shí)，豎向單元尺寸取2 m可滿足計(jì)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(dòng)響應(yīng)特性，選取阪神波作為基巖輸入的地震動(dòng)，其中阪神波具有明顯的脈沖特性，截取作用時(shí)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(jì)基本地震加速度為0.2g地區(qū)的最大加速度），加速度時(shí)程曲線如圖1所示。地震動(dòng)輸入時(shí)，按照三個(gè)方向同時(shí)輸入，即同時(shí)輸入一條P波和兩條S波，模擬真實(shí)地震情況。

圖1 阪神波地震加速度時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)形式為φ800@1 000鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為31 m，止水體系為φ850@600攪拌樁止水帷幕，樁長(zhǎng)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(hù)結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為2 a，故研究抗震性能時(shí)不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響。通過(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)驗(yàn)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(gè)單元，22 054個(gè)節(jié)點(diǎn)以及10 263個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)方向同時(shí)輸入時(shí)隧道結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測(cè)位置水平和豎向位移時(shí)程曲線。從圖中可以看出，在4.52 s時(shí)（對(duì)應(yīng)地震加速度峰值時(shí)間點(diǎn)），結(jié)構(gòu)的豎向位移達(dá)到最大，在4.64 s時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平位移達(dá)到最大。統(tǒng)計(jì)峰值加速度時(shí)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(shuō)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(shí)結(jié)構(gòu)位移沿三個(gè)方向的云圖11可知，在峰值加速度時(shí)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(jì)時(shí)可通過(guò)在支座處設(shè)置加腋等措施加強(qiáng)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(duì)位移達(dá)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(shí)的結(jié)構(gòu)位移云圖

4.2 層間位移角分析

為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)相對(duì)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(jì)算到7 s時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的剪切變形，2-2斷面位置相對(duì)位移較大。地下二層頂?shù)撞康南鄬?duì)水平位移差值達(dá)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(jì)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(duì)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(duì)位移斷面選取

圖13 結(jié)構(gòu)不同位置層間位移角-時(shí)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(shí)間內(nèi)不同時(shí)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(dòng)的加強(qiáng)，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(guò)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(diǎn)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(dòng)的加強(qiáng)，層板對(duì)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?dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度和持時(shí)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(lái)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(yùn)動(dòng)和變形，直至交叉部位的彎矩值超過(guò)結(jié)構(gòu)的受彎承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，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(diǎn)如圖16所示，得到不同結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)所代表的空間最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力時(shí)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(diǎn)以及夾空層空間中隔墻與頂板、中板和底板處節(jié)點(diǎn)均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，這些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)值19.1 MPa。

圖16 關(guān)鍵位置選取

圖17 匝道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線

圖18 匝道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力時(shí)程曲線

圖22 夾空層結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力時(shí)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(diǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖19 管廊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線

圖21 夾空層結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線

綜上可知，在對(duì)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(duì)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(shí)也證明了上述結(jié)構(gòu)的夾空層具備可開(kāi)發(fā)利用的價(jià)值，可結(jié)合周邊需求開(kāi)展建設(shè)。

5 結(jié) 論

本文對(duì)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(duì)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(guò)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(jìn)行有效的開(kāi)發(fā)利用；

（2）通過(guò)有限元分析了利用夾空層的斷面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)，分析了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的位移-時(shí)程以及層間位移角-時(shí)程關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地震荷載對(duì)于斷面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的影響在抗震設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)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(diǎn)最小主應(yīng)力時(shí)程曲線