四舱综合管廊横截面结构抗震分析

凌皓

摘要: 结合工程实例，采用反应位移法对某项目四舱综合管廊横截面进行抗震分析。详细介绍了采用反应位移法进行抗震分析的基本原理和计算方法。

关键词：综合管廊；反应位移法；抗震分析；

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0 引言

综合管廊目前在全国广泛推广，作为城市的重要生命线工程，管廊结构设计时应充分的考虑地震作用影响，确保其具有良好的抗震性能。本文结合具体工程实例，采用反应位移法，对四舱综合管廊的标准横断面进行抗震分析。

图1.综合管廊标准横断面

1 抗震分析方法

在地震作用下，地下结构与地上结构相比具有明显不同的地震反应，由于地下结构受到周围土体的约束，并不能像地上结构那样振动。通过研究发现，地下结构在地震作用下，土体的位移常起主导作用，而地上结构为惯性力起主导。地下结构的地震反应计算方法主要有反应位移法、反应加速度法、拟静力法、土-结构时程分析法等。本文采用反应位移法对管廊标准断面进行抗震分析。

地震计算静力模型如图2。反应位移法基本原理为：将地震过程中土层发生最大相对位移差时刻，结构所在土层的相对位移以及该时刻土层的剪力和加速度施加在结构上，按静力的方法计算出结构的内力。  

具体过程如下：

1、建立场地的有限元模型，在模型底部施加剪切波进行一维自由场地分析，得到结构所在土层相对位移差、惯性加速度和剪力。

2、建立结构静力地震计算模型。将场地分析得到的位移差、结构惯性加速度、结构边缘的剪力施加在结构上，进行静力计算，四舱管廊地震工况作用下结构所受荷载及边界条件如图3所示。

图2.地震计算静力模型

图3.地震动时的荷载组合及边界条件

2结构抗震分析

1、荷载取值及效应组合

结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合应按下式计算：

式中：为结构内力设计的设计值；为重力荷载分项系数（本工程取1.2）；为水平地震作用分项系数（本工程可取1.3）；为重力荷载代表值的效应；为水平地震作用标准值效应。

荷载分类、取值及地震分析时效应组合系数如下表所示。

荷载类型	荷载名称	组合 系数	荷载取值
永久荷载	结构自重	1.2	按实际重量
	覆土重	1.2	覆土高度按3.5m计，覆土平均容重按19kN/m³计
	侧土压力	1.2	按主动土压力计算, 主动土压力系数取0.4
	水压力	1.2	地下水位按路面处计
可变荷载	地面超载	0．6	地面活载换算为按20kPa均布于结构顶板
	地面超载引起的侧土压力	0.6	按主动土压力计算, 主动土压力系数取0.4
偶然荷载	地震作用	1.3	按6度地震基本烈度考虑(E2建模考虑)

2、横向地震作用的计算

根据反应位移法原理，分别计算土层相对位移差、剪力和惯性加速度。

土层相对位移差的计算：为场地地表最大位移，本文E2地震作用取值0.03m；E3地震作用取值0.08m）；为距离地面的深度；为设计地震基准面深度，本工程所在地区设防烈度为6度（0.05g），场地类别按Ⅱ类取值，抗震性能目标为水准1，则需按照E2地震作用弹性设计、E3进行罕遇作用下的弹塑性变形，自由土层地震动峰值位移计算结果如下表：

节点号	距离地面深度Z(m)	E2地震作用		E3地震作用
		u（z）（mm）	相对底板位移（mm）	u（z）（mm）	相对底板位移（mm）
1	3.75	14.84	1.35	39.57	3.64
2	4.2875	14.79	1.30	39.43	3.50
3	4.825	14.73	1.25	39.28	3.35
4	5.3625	14.67	1.19	39.12	3.19
5	5.9	14.60	1.12	38.93	3.00
6	6.4375	14.52	1.04	38.73	2.80
7	6.975	14.44	0.96	38.51	2.58
8	7.5125	14.35	0.87	38.27	2.34
9	8.05	14.26	0.00	38.02	0.00

剪力的计算：采用反应谱法计算土层位移，通过土层位移微分确定土层应变，最终通过物理关系计算土层剪力。

土体剪应变计算公式：

顶板剪力、底板剪力：

   

式中：为土体剪切模量。

矩形结构侧壁剪力作用：

计算结果如下表：

部位	E2地震		E3地震
	土体应变	剪力	土体应变	剪力
结构顶部	-0.000086	-4.32	-0.000230	-11.51
结构底部	-0.000183	-9.15	-0.000488	-24.39
侧壁	-	-6.73	-	-17.95

本文地震峰值加速度E2地震amax=0.05g、E3地震amax=0.12g两种地震作用工况。在有限元软件中通过反应谱施加于结构之上。

图4. E2地震作用下弯矩图

图5.E2地震作用下剪力图

图6.E2地震作用下轴力图

从地震作用下结构弯矩图可以看出，结构在地震作用下的不利弯矩与通常设计中按正常使用极限状态考虑计算所得弯矩相比，增量不大，考虑 1.1 的重要性系数后，地震作用产生的效应，取典型截面弯矩计算配筋，然后与以裂缝为控制因素所配钢筋量相比较可知后者所配钢筋能够满足地震作用下的承载能力极限状态。

3结论

本文结合工程实际，采用有限元软件对四舱管廊在地震工况下的内力进行计算。结果表明使用反应位移法对综合管廊横截面进行抗震分析理论易懂，计算方法相对简化，适用于综合管廊横截面的抗震计算。

参考文献

[1]施有志，华建兵，李秀芳，林树枝，反应位移法在地下综合管廊抗震设计中的应用[J]. 吉林大学学报（地球科学版），2018，48(6):1785-1796.

[2] 杨靖，高悦，燕勋.综合管廊的纵向抗震计算-反应位移法[J]. 工业建筑，2013（43）：559-561.

[3] (GB50909-2014)城市轨道交通结构抗震设计规范【S】，北京；中国计划出版社，2014.

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