某下穿通道框架涵结构抗震性能研究

张 恒

（安徽省公路工程检测中心，安徽 合肥 230041）

目前大城市人口密度攀升，致使市内机动车保有量以每月近万辆的速率随之剧增，交通拥堵现象日益严重。一些城市交通路网也已形成，无法新建更多替代性重要交通干道[1]。交通拥堵问题的解决措施，除外迁城内企业，大力发展轨道交通等公共交通形式外，对现有繁忙交通节点的疏导显得刻不容缓。城市浅埋式框架涵下穿通道可使节点交通在空间上各行其道，极大疏导交通负荷。

对于地震活跃带地区城市的框架涵下穿通道而言，地震力对此类浅埋式框架结构的破坏性较大，结构设计验算中需要着重关注[2]。本文针对某城市下穿通道进行典型地震波作用下的结构抗震性能研究，采用Midas/Civili桥梁结构专用计算软件分析框架涵结构的地震响应情况，结果表明其抗震性能良好，满足设计及规范要求。

1 工况概况

某城市下穿通道采用框架涵预制拼装施工工艺，框架涵采用上下拼接的闭合框架结构形式。采用该工艺可以大大缩短施工工期，但其结构受力性能及抗震性能等尚待研究。本文对框架涵预制拼装结构进行结构抗震性能方面的研究，研究成果可为今后同类工程提供参考，使其从结构受力更加合理。

1）断面形式：下穿通道断面常采用拱形断面和矩形断面，本工程下穿通道覆土浅，采用明挖施工。矩形断面形式提高了断面利用率并减少了开挖深度，缩短了施工工期。

2）框架结构：采用钢筋混凝土结构，本工程设有单孔框架和双孔框架两种。

3）地基：根据本工程地质勘探，北段通道基底大多位于全风化花岗岩（凝灰岩）或强风化花岗岩（凝灰岩），局部位于中风化花岗岩（凝灰岩），因此北段通道基底一般无须再做处理；南段通道基底主要在粘土层。

2 抗震分析方法

针对一般地下结构的抗震设计分析方法，早期主要以借鉴地面结构抗震简化分析的静力法为主，如：地震系数法（亦称拟静力法、惯性力法）和反应位移法；而对于重要性大的地铁隧道等地下结构，则需要进行动力模型试验分析和地震响应分析，以期准确获取结构的动力特性与动力响应，指导结构抗震设计工作。特殊条件下的震害调查与现场观测能真实反映结构的抗震特性，但无法直观获得在确定的模型边界条件与激励地震波条件下的针对性试验结果。理论分析与模型试验相结合的研究方法是普遍的抗震分析方法。

框架涵的纵向拉、压和弯曲作用会产生结构的纵向变形，地震波响应分析时为包络得到框架涵总体纵向地震位移响应，沿结构轴向和横向主轴分别输入地震简谐波。

假设：（1）忽略地震波的沿程衰减；（2）框架涵各周边土弹簧相互不产生受力影响；（3）作用于框架涵的切向弹簧力-位移曲线符合双向性规律，应力大于摩擦上限则框架涵产生滑移。

输入结构的地震简谐波可表示如下：

Aa为轴向波幅，Ab为横向波幅，分别对应于人工填土场合天然土场的地震响应分析结果。La、Lb分别为响应地震波的波长。即La=cTa;Lb=cTb。依照经验，Ta、Tb分别取 0.3s、0.1s，波束 c 取 900m/s。

3 闭合框架结构建模

在对下穿通道的分析中，采用了有限元分析软件Midas，由于通道全长较长，无法全部模拟，故在此截取了1m长的通道，建立了下穿通道的有限元模型，以节点弹性支承模拟边界。

其中单室框架涵高7.2m，宽10.4m，顶板、底板、腹板厚分别为0.7m、 0.8m、0.8m。模型共划分为60个节点，60个梁单元，其中各个方向划分为，X方向为框架涵平行于地面垂直于框架涵轴线方向，Y方向为框架涵轴线方向，Z方向为垂直于地面向上的方向。双室框架涵高7.2m，宽19.9m，顶板、底板、中腹板、边腹板厚分别为 0.7m、0.8m、0.8m、0.7m。模型共划分为116个节点，115个梁单元，其中各个方向划分为，X方向为框架涵平行于地面垂直于框架涵轴线方向，Y方向为框架涵轴线方向，Z方向为垂直于地面向上的方向，如图1所示。

图1 单室、双室弹性地基框架梁计算模型

建立模型之后，采用Midas中比较典型的三种地震波对框架涵模型进行了加载分析，三种地震波分别为：

①T2-I-1 （1995，HYOUGOKEN_South，NS，极值=-0.8281g）； ②s_monic1（1994，Northridge，Santa Monica，City Hall Grounds， 极值=-0.8836g）； ③EI cent_t（1940，EI Cento Site，270Deg，极值=0.3569g）。

并在上述三种地震波下对模型的7个方向（X、Y、Z、XY、XZ、YZ、XYZ）进行了加载。

4 单室和双室箱涵响应分析

图2仅列出T2-I-1地震波沿X方向输入时，单室箱涵Z轴方向的位移曲线、剪力弯矩图，地震波沿其他方向输入时以及另两种地震波输入时的结构响应列表1汇总展示。

图2 地震波沿X方向输入时的位移响应Z、轴力响应Fz、弯矩响应Mz（从左至右）结果示意

举例说明，由上所列位移、内力、应力响应结果图表可知，在X方向T2-I-1地震波作用下，X方向位移最大为6.5mm；X方向的剪力值数值最大为142.2kN；Z方向的弯矩值数值最大为168.5kN·m，地震波沿X方向输入时梁单元应力最大值为2.2MPa。如图3所示，根据相关设计规范验算后得到该浅埋式下穿通道单、双室结构的抗震计算结果满足设计及规范要求，且双室结构相较于单室结构的震动波响应更小，双室结构箱涵的抗震性能较单室结构更优良。

由单、双室箱涵的地震波位移响应时程曲线对比可知，位移大小的量级远小于单室结构，双室结构的位移大小较单室更为微弱。

图3 X向T2-I-1波的单、双室X向位移时程曲线

5 结论

通过对下穿通道框架结构进行有限元抗震性能计算分析，可得到以下结论：

表1 三种地震波作用下单室箱涵结构响应计算结果汇总表

1）将本结构的模型看作箱形弹性地基梁并在杆系有限元模型中建立相应的模型后，在Midas中用三种典型的地震波， 在 X、Y、Z、XY、XZ、YZ、XYZ 方向对模型分别加载后，从上述结果中可以看出，结构在各个工况下的位移变化曲线、内力大小、应力大小均符合设计及规范要求，结构抗震能力良好，满足抗震设计要求。

2）由单室、双室箱涵的各地震波响应分析结果对比可知，双室箱涵的地震响应较单室箱涵更微弱，表明双室结构比单室结构具有更好的抗震性能，验证了其抗震性能的优越性。此类框架式箱涵结构可在满足结构使用功能的基础上，保证良好的抵抗破坏性地震作用的能力。