地下综合管廊结构抗震性影响因素分析

姚怡 王晓敏

摘要： 地下综合管廊是在城市地下建造一个隧道空间，可以将各种市政管线敷设在管沟内将其保护起来，是一种现代化、集约化的城市生命线基础设施。但是综合管廊在我国的建设刚刚起步，与之相对应的各个阶段的理论设计和方法研究还没有得到很好的重视，相关结构抗震设计方面的研究与共同沟的建造速度仍然存在较大脱节，对其抗震方面的研究具有重要的理论价值和现实意义。因此通过研究地下综合管廊结构抗震的因素，得出相应的规律和结论，为今后综合管廊的建设和发展提供经验和参考。

关键词： 地下综合管廊 抗震性 影响因素 管廊设计

中图分类号： TU352.11 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0192-03

影响地下综合管廊结构抗震性能的因素有多种，如结构埋深、土体的非均匀性、接触面设置、边界条件、地震波入射角度等。本文主要对结构埋深、接触面设置、边界条件等因素进行考察研究，总结出相应结论与规律，为今后管廊结构的设计提供参考。为方便输出模拟结果，下面选取以下代表点作为输出的关键点，如图1 所示。

1 埋深影响分析

天然地面至共同沟顶面的天然距离称为综合管廊的埋深，深度越大，上部覆土层的惯性力和重力越大，从而管廊结构体在地震过程中的响应越大，同时随着结构埋深的增加，结构两侧的土体给到的压力也会随着增加，对地下管廊结构的作用也显著提升，使结构在动能作用下的变形更依赖于半无限土体自由場的变形［1］。自由场的振动也随着埋深的变化而变化，从而引起结构自身应力应变的变化，结构惯性力的大小直接由加速度的大小所决定，土体与结构相互作用程度直接影响结构在地震作用下的动力性能，土体对结构的约束作用越强烈，则土体在地震作用下的变形对结构的动力性能影响越大，反之，当土体对结构的约束比较弱时，在地震作用下的惯性力以及加速度对结构的动力性能影响越大，因此有必要研究加速度随结构埋深的不同而变化的规律。综上所述，埋深是影响综合管廊动力性能的关键因素，本文对1～6 m 深度的综合管廊的加速度、接触压力、接触剪力进行分析。

通过分析发现不同深度结构加速度峰值分布值可看出随着结构的埋深增加，结构的峰值加速度和加速度放大系数逐渐减小，结构的惯性力也减小，这点与结构沿深度方向加速度变化规律是一致的，也即：深度增加，加速度值将减小，二者成反比关系，这可能是因为深层的土体剪切模量比浅层土体的剪切模量大，土质也偏硬，相对于浅层的软土层来说，硬质土体对于加速度的放大作用更大，同时对于结构的约束作用也更强，随即呈现出结构的加速随深度的增加而减小的规律［2］。通过分析不同深度峰值接触压力以及峰值剪力值分布规律可知：结构与土体结构接触面的压力是随着管廊结构埋入地下的深度的增加而变大，这也就能够表明，随着管廊结构的埋藏深度的增加，土体对管廊结构的约束性就越强，如果是发生地震，地下管廊结构也会更容易受到周围土体的作用影响。

2 接触条件影响分析

地下综合管廊是一种浅埋的地下结构，管廊结构和土体共同构成一个相互作用的整体，因此，应该将两者作为一个整体进行模型的建立。但是土体和结构的材质不同，在地震作用下结构可以始终保持相邻点变形的连续性，但是土体往往会发生滑移。ABAQUS中对于法向作用将接触压力和间隙的关系默认为“硬接触”，指的就是两个物体可以通过接触面自由传递压力，当两者分离时，接触压力为零或者为负数［3］。对于切向作用常采用摩擦系数表示接触面之间摩擦特性，针对不同摩擦系数对结构地震作用下的响应规律进行研究分析，不同接触面条件下结构应变时程如图2所示。

图2、图3 比较了μ = 0，μ = 0.45，μ = ? 几种不同接触条件下A1 节点和A3 节点的应变幅值曲线，通过对上图进行分析可以知道，土体与管廊结构的切向摩擦系数为0 时，管廊结构受到土体的作用影响最小，即管廊结构的应变幅值最小，当土体与管廊结构的接触面摩擦系数逐渐变大时，管廊结构的应变幅值也随之增大，如果土体与管廊结构的接触面切向系数μ = ? 时，土体与结构相当于合为一体，这时的管廊结构应变幅值也是最大的，约为系数为0.45 时的1.6～2.4 倍，表明土体与结构是相互作用。

3 边界条件影响分析

人工边界条件是结构动力反应的关键因素，常规的边界条件有固定边界、无限单元、自由边界、黏弹性边界等。一般情况下将边界定义为无限远处可近似的模拟现实工程问题，但是足够大的边界给模型计算带来很大的困难，计算规模、网格划分等都将大量增加［4］。但是人为地将边界截断，不能反映出来无限域对于有限区域的影响，同时地震波在边界处造成反射与散射现象，这将对结构进行二次作用，会加大结构的动力响应，存在较大的误差。而ABAQUS 自带的无限单元，与有限单元的区别很小，只是数据的处理函数不同，在静力计算以及动力计算分别加衰减函数和波传播函数，其可将模型分为远场和近场，用有限单元对近场进行模拟，无限单元对远场进行模拟［5］。因为结构边界的条件对地下管廊结构的动力响应影响很大，因此选择了管廊结构的A1 节点在3 种边界条件（自由边界、固定边界、无限单元）下的应变幅值及等效力进行分析，如图4、图5 所示。

图4 为A1 节点的不同边界条件作用下的应变幅值曲线，通过分析发现固定边界结构、无限单元边界结构以及自由边界结构的应变幅值及等效应力是依次减小，因此将综合管廊的结构边界设置为无限单元是最科学的选择，既能避免结构设计过于保守，又能避免结构不安全［6］。通过对A1～A5 关键节点在不同边界条件下反应分析可知，在自由边界条件下的结构应变幅值相对较小，并且与其他两种边界条件下的结构相差较大，从而确定边界条件在综合管廊结构设计中的重要性是不可忽略的。

4 结语

通过分析发现，首先，随着结构的埋深增加，管廊结构的峰值加速度和加速度放大系数会逐渐减小，这可能是因为深层的土体剪切模量比浅层土体的剪切模量大，土质也偏硬，相对于浅层的软土层来说，硬质土体对于加速度的放大作用更大，同时对于结构的约束作用也更强，随即呈现出结构的加速度随深度的增加而减小的规律。但土体与管廊结构的峰值接触压力与峰值接触剪力都是埋得越深数值越大，管廊结构也是随着埋深的增加受土体的影响越大。

其次，当土体与管廊结构的切向摩擦为0 时，地下管廊结构的应变幅值与动力响应都是最小，当土体与管廊结构的切向摩擦系数逐渐增大时，结构的应变幅值与动力响应也会增大，这说明土体与管廊结构是相互作用的，如果不考虑结构与土体接触面之间的相对滑移将增大结构的动力响应。

最后，固定边界结构、无限单元边界结构以及自由边界结构的应变幅值及等效应力是依次变小的，因此在地下管廊结构设计时，应用无限单元边界条件是较为科学的选择，既能避免结构设计过于保守，又能避免结构不安全，对边界条件的分析对地下管廊结构的抗震设计是十分重要的。

基金项目： 陕西省教育厅科研计划项目《基于ABAQUS 的地下结构抗震性能研究》（项目编号：2020KJ-15）；陕西省教育厅一般专项科学研究计划项目《强震作用下钢筋混凝土结构非线性连续倒塌机理研究》（项目编号：23JK0554）

参考文献

[1] 李仁康，姚爱军，董磊.组合壳地下综合管廊关键节点力学性能试验研究[J]. 混凝土与水泥制品，2023（1）：39-46.

[2] 周剑敏，张琪，姬永红.矩形波纹钢地下综合管廊结构抗震性能分析[J].城市道桥与防洪，2022（5）：232-236，254，27.

[3] 董正方，曹献伟，曾繁凯，等. 隧道横向抗震合理地震动强度指标研究[J].应用基础与工程科学学报，2022，30（3）：776-789.

[4] 惠新杨，丁传海. 结构形式差异对管廊抗震性能的影响分析[J]. 四川水泥，2022（3）：35-38.

[5] 刘喜坤. 地震荷载作用下大跨城市地下综合管廊抗震性能分析[D]. 石家庄：石家庄铁道大学，2022.

[6] 苗晗. 叠合装配式综合管廊地震响应及抗震性能分析[D]. 石家庄：河北科技大学，2022.