地下综合管廊交叉口节点地震动力响应特性研究＊

张博华，吕宝伟

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

地下综合管廊交叉口节点地震动力响应特性研究＊

张博华，吕宝伟

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

对处于高烈度地震区的地下结构的动力响应研究日渐受到人们的重视，而地下综合管廊作为浅埋地下结构，其地震动力作用更为显著。以包头地下综合管廊建设为背景，采用MIDAS GTS NΧ大型有限元软件，对地下综合管廊交叉口节点建立三维有限元模型，采用非线性动力时程分析方法研究地下综合管廊交叉口在地震作用下的动力响应特性，着重分析了交叉口节点在地震动力作用下的层间位移角响应及结构的受力变化规律，研究成果可为类似工程设计提供参考和借鉴。

综合管廊；交叉口节点；动力响应；层间位移角

地下综合管廊是以矩形、圆形为主的狭长线型结构，但为满足管线出入、吊装、通风、逃生等功能要求，需增加相应的功能节点。地下综合管廊作为城市生命线工程，规范[1]规定管廊结构设计使用年限为100年，应按乙类建筑进行抗震设计。曹守金等[2]对管廊标准断面采用反应位移法对结构内力进行了研究；岳庆霞等[3]针对管廊标准断面采用时程分析法研究了动力边界、结构与土相互作用、行波效应等地震动力计算中的问题；刘述虹[4]研究了8条不同频谱特性的地震波作用下，地下综合管廊的地震动力响应；史晓军等[5]采用振动台实验研究了地下综合管廊的动力响应。目前，针对地下综合管廊地震响应的研究主要是针对标准断面，而对于管廊交叉口节点的地震动力特性研究，还未见有公开文献对其研究。本文针对地下综合管廊交叉口节点的地震动力响应特性展开研究，以期为类似工程提供参考和借鉴。

1 交叉口节点工程概况

本文所研究管廊交叉口节点为四通节点，位于建设路与文明路交叉口处，2条道路上的管廊标准段面及尺寸见图1、图2.交叉口处文明路沿线管廊位于上部，覆土深度1.6 m。

包头位于高烈度地震区，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2 g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，动力计算采用地震安全评估报告提供的50年超越概率2%的罕遇地震下的加速度时程曲线，如图3所示。

2 地震时程分析

2.1 计算模型

在地震作用下，管廊结构的动力响应是一个非常复杂的过程。为正确模拟地震动在土层中的传播，避免波动在边界的反射对结构产生干扰，本文采用自由场人工边界模拟无限土体对波动的吸收效果。

为减小人工边界对结构的影响，侧面人工边界距结构的距离取4倍的结构宽度，底部人工边界取至设计地震作用基准面，距结构的距离为3倍的结构高度，模型上部边界取至自由地面，模型尺寸为126 m×117 m×38.1 m。土体采用实体单元，管廊结构采用板单元，梁柱采用梁单元，单元共计92 197个，节点数为95 025个，计算模型如图4所示。

图1 建设路管廊标准断面（单位：cm）

图2 文明路管廊标准断面（单位：cm）

图3 加速度时程曲线

图4 交叉口节点计算模型

表1 岩土及结构材料参数

2.2 材料参数

交叉口节点处地层上部地层为冲洪积沉积物，中部为湖积沉积物，下部为冲洪积沉积物，底部为风化基岩，计算模型范围内共有10层土。本文计算的土体采用摩尔-库伦模型（Mohr-Coulomb），结构采用弹性模型（Elastic），计算范围内的土层及结构参数如表1所示。

2.3 计算结果分析

2.3.1 位移响应分析

地下综合管廊结构在地震荷载作用下，不同埋深处结构的位移响应不同，不同结构层的相对位移时程曲线如图5、图6所示。顶板和中板的最大相对位移为3.04 mm，最大层间位移角为1/1 316；中板、底板的最大相对位移为0.92 mm，最大层间位移角为1/5 108；顶板和底板的最大相对位移为3.96 mm，最大层间位移角为1/2 197.由此可知，管廊结构还处于弹性工作范围，满足规范规定的性能Ⅱ要求。

图5 顶板和中板相对位移时程曲线

图6 中板和底板相对位移时程曲线

2.3.2 整体应力响应分析

地下综合管廊结构交叉口节点的主应力分布如图7、图8所示。结构最大主应力及最小主应力出现在交叉口节点和标准段连接处的角点，该部位在地震荷载作用下呈现反复的拉压循环，是结构受力的薄弱部位。

图7 最大主应力云图（kPa）

图8 最小主应力云图（kPa）

3 结论

本文通过对管廊交叉口节点的三维时程分析，探讨了管廊交叉节点的地震动力特性，得出以下结论：①本文所研究的管廊交叉口在罕遇地震作用下，结构整体处于线性变形范围，层间位移角处于规范限制内，满足性能Ⅱ的要求；②在地震作用下，交叉口节点与标准段连接处的角点处反复处于拉压受力状态，是结构受力的薄弱部位，应加强该部位的结构设计；③管廊交叉口等节点结构形式复杂，空间效应明显，抗震设计时建议采用三维模型进行设计；④限于篇幅，本文仅针对四通管廊交叉口节点进行研究，今后有必要针对三通节点及综合管廊的其他功能节点开展这方面的研究。

［1］上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司.GB 50838—2015城市综合管廊工程技术规范［S］.北京，中国计划出版社，2015.

［2］曹守金，单彬彬.用反应位移法进行综合管廊地震反应分析［J］.市政技术，2017（03）：80-82.

［3］岳庆霞，李杰.地下综合管廊地震响应研究［J］.同济大学学报（自然科学版），2009，37（3）：285-290.

［4］刘述虹.典型综合管廊体系地震响应分析［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2016.

［5］史晓军，陈隽，李杰.地下综合管廊大型振动台模型试验研究［J］.地震工程与工程振动，2008，28（6）：116-123.

TU990.3；TU311.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.008

2095－6835（2017）21－0008－03

铁道第三勘察设计院集团有限公司科技开发课题“城市地下综合管廊关键技术研究”（编号：721660）

张博华（1989—），男，四川绵阳人，助理工程师，从事隧道及地下结构工程的设计研究。

〔编辑：刘晓芳〕