不同预紧力下预制综合管廊地震响应研究

常万波，赵燕宾，李 鑫，王 乐，张 朝

(1.中铁铁工城市建设有限公司,北京 101399; 2.中国铁工投资建设集团有限公司,北京 101399;3.内蒙古科技大学土木工程学院,内蒙古 包头 014010; 4.内蒙古自治区高校城市地下工程研究中心,内蒙古 包头 014010)

随着我国智慧城市建设的不断推进与发展,预制综合管廊以其建设周期短、质量控制性高、环境污染小等优点被广泛利用于城市建设当中。

在综合管廊建设力度加大的同时,综合管廊结构设计以及结构性能研究也得到了很大的促进。针对预制管廊重要节点的受力性能,胡翔等[1]通过开展管廊底部节点低周往复荷载试验,研究分析了叠合板式节点与现浇节点在承载力、耗能以及延性系数方面的差异;匡亚川等[2]提出了一种基于“U型套箍销接纵筋连接”技术的新型综合管廊,并且通过研究发现其大跨径顶板经历了开裂、刚度退化和极限破坏三个阶段,且其承载能力提高到了荷载设计值的3.71倍;车鸿博等[3]对预制装配式波纹钢综合管廊的承载能力进行了现场试验,发现波纹钢综合管廊在3倍设计覆土厚度下仍具有良好的承载力,主要承载部位为管廊顶板,其应变与覆土厚度呈正向增加;赵远清等[4]通过管廊缩尺往复加载实验,发现管廊极限承载力与抗剪锚筋配筋率成正比,且仅在侧壁布置抗剪锚筋的情况下,与四周均布置抗剪锚筋时的承载力相等;赵文昊等[5]通过数值模拟,建模分析了综合管廊平口与企口两种接头情况下管廊的允许差异沉降,发现在车辆荷载和地基土横向7 cm差异沉降下,企口预制拼装管廊接头的承口端应力更大且容易发生破坏;陈隽等[6]通过模型土箱,开展了综合管廊在非一致激励地震作用下的模型试验,结果表明管廊在非一致地震激励下的结构响应大于均匀激励下的结构响应;FD Konstandakopoulou等[7]分析了综合管廊在单次与多次地震荷载下结构的非线性反应,并确定出采用连续损伤力学模型能够很好地反映出结构的损伤破坏性能。

目前国内预制综合管廊普遍采用连接件进行装配,装配应力大小对管廊施工乃至后期运营中的受力、防水以及抗震性能等都有着不可忽略的影响,但现有研究多从结构自身出发,而忽略了连接件装配应力对管廊性能的贡献。为此,就这一问题,以连接件通过施加装配应力的双舱综合管廊为例,来研究装配应力对综合管廊相关性能的影响。

1 计算模型及参数设置

1.1 工程概况

根据所选管廊项目地勘资料,其建筑场地为 Ⅱ 级,抗震设防烈度为8度,设计基本加速度为0.2g,基准频率为0.01 s,管廊埋深土层以砂土为主,该工程采用预制装配法进行施工,其综合管廊截面尺寸及配筋图如图1所示,建设用混凝土采用C40,钢筋采用HRB400,纵向连接件采用直径为10 mm的钢棒,其抗拉强度为1 570 MPa,相关材料参数如表1所示。此外,为保证管廊防水性能,在管廊接头部位设置有遇水膨胀橡胶圈,表2为橡胶材料参数。

表1 材料参数

表2 橡胶材料属性

1.2 模型尺寸及边界设置

在地下结构抗震分析中,当场地土沿振动方向的长度大于5倍工程结构时,可有效降低土与结构共同作用体系的地震响应计算误差[8]。因此,计算模型中,除了管廊纵向外,其余方向上土体尺寸均取为5倍管廊尺寸,管廊埋深按照现场施工方案取为1倍管廊高度3.5 m。此外,为了更好地模拟原始地基,在土体取5倍管廊尺寸的基础上,再结合采用黏弹性边界,以尽可能降低计算误差,黏弹性边界可有效吸收地震波反射能量并模拟出地震波在土中的传播特性。在此,借助有限元软件ABAQUS,在土体边界通过设置弹簧阻尼器的方式来施加黏弹性边界[9-10]。管-土的相互作用属性,可以很好的体现出结构与土体在受力状态下彼此之间的相互作用以及相符位置变化。本模型中,管廊与土体在接触面法向设置硬接触,允许其接触后在拉力作用下发生分离,切向设置罚摩擦,摩擦系数取为0.4[11],防水橡胶圈一侧与管廊设置绑定约束,用以固定其位置,另一侧与管廊接触属性与管廊-土体相互作用属性设置一样。

1.3 模型载荷

综合管廊装配时对纵向连接件施加一定的装配应力,不仅能够挤压接头防水橡胶圈提高防水性能,而且能够有效提高结构的整体性,进而增强管廊抵抗竖向变形能力。对于装配应力取值,综合管廊相关规程并未给出明确的取值范围,而装配应力对综合管廊受力及使用性能等诸多方面又有着不可忽略的影响。为此,本模拟中对预应力钢棒施加50 kN,100 kN,150 kN,200 kN等不同的装配应力,并输入地震波进行抗震分析,来对装配应力作用下的综合管廊各方面性能展开研究。

地震波对结构产生的影响,可以按照等效节点力的方法来进行施加[12],根据弹簧-阻尼器作用原理,其一端与边界节点连接,另一端接地固定,黏弹性边界完全吸收地震波反射能量时,边界节点所承受的就是地震自由场运动,而自由场运动可转化为在边界节点上施加等效节点力的方法进行处理,等效节点力计算如式(1)所示:

(1)

其中,K为黏弹性边界各节点弹簧刚度;C为阻尼系数;u为自由场位移;σ为自由场应力;A为边界节点对应的控制面积,可通过边界面施加单位压强最终根据边界面反力文件得到每个结点的控制面积[13]。

由式(1)可知,要计算边界面各节点位置处的等效节点应力,需知道自由场位移时程以及速度时程,在本模拟中,采用Ⅱ类场地地震波El-centro波按照设计基本加速度0.2g进行三向加载,其地震波相关信息如图2所示,其中,位移时程以及速度时程通过加速度时程曲线积分得到,且为了防止模型有残余变形,对输入的加速度时程曲线进行了基线校正。最终计算模型如图3所示。

2 模拟结果分析

2.1 模型可行性验证

为确定施加等效节点力实现地震动加载的方式是否合理,选取场地土体自由表面的4个顶点为研究对象,通过提取三个方向的加速度反应时程曲线进行对比验证,其各方向加速度时程曲线如图4所示,其中A1,A2,A3分别对应x,y,z三个方向的加速度反应时程。

由场地土体4个顶点的加速度反应时程可以看出,在0.2g El-centro波作用下,所有顶点沿着3个方向的加速度反应时程曲线与输入的地震波时程曲线波形基本一致,且较输入的地震波有些许延迟,各加速度反应时程曲线也几乎同时达到正负向峰值。另外,根据竖向的加速度反应时程曲线可以看出,峰值加速度较输入的地震波峰值,有着1倍～2倍的放大,这也与一维波动理论相符合。以上所得场地土体地震作用下的动力响应规律表明,扩大土体尺寸基础上采用黏弹性边界并结合等效节点力施加地震荷载的做法对于场地土体的动力响应研究有着很好的适用性。

2.2 管廊受力性能分析

防水性能在管廊施工乃至后期运营阶段都起着举足轻重的作用,它是保证内部管线安全的重要举措之一。按照综合管廊技术规程要求,防水橡胶圈的界面接触压力不应小于1.5 MPa,而预紧力的施加也并非越大越好,一方面要考虑连接件的受力安全,其次还要保证连接孔道部位混凝土的受力安全,为此,根据不同的预紧力,对管廊的防水以及受力性能进行了如下分析。

图5为防水橡胶圈在不同预紧力下的界面接触压力,可以看出,随着预紧力的加大,橡胶圈接触压力不断增加,表明预紧力施加,将能够有效地提高结构的防水性能,但在预紧力为50 kN,100 kN下,橡胶圈接触压力未达标,存在防水隐患。此外,值得注意的是,相较于管廊连接孔道附近,中隔墙与顶底板交界处,以及侧墙中部,橡胶圈接触压力较小,为此,施工中应结合管廊断面尺寸,可在中隔墙等相应位置增加纵向连接件,从而保证橡胶圈界面各部位接触压力均能满足防水要求。

图6为施加装配应力后管廊结构受力情况,可以看出,随着装配应力加大,管廊连接孔道部位应力集中逐渐增大,这将对孔道部位混凝土产生一定的损害,且在管廊后期发生不均匀变形等可能情况下,会加剧应力集中,将有可能对孔道部位混凝土产生破坏,从而使得装配应力损失,进而发生防水失效或者结构刚度下降导致变形过大,最终破坏内部管线。

从以上防水及管廊结构受力的研究可以发现,装配应力的大小,对管廊防水及结构安全至关重要,工程中应结合管廊结构自身、连接件属性以及防水橡胶材料等诸多因素共同考虑预紧力的大小,使得预紧力施加更为合理。

2.3 加速度响应分析

对于多舱形式的综合管廊,顶底板与中隔墙以及侧墙的交接位置往往作为设计的重要节点,此外,为使结果规律性更加明显,选择与波源位置关系较远的顶板与中隔墙交点为研究节点进行分析,而峰值加速度能够较为直观的反映出结构的抗震性能表现,故提取3个方向的加速度反应时程曲线,且通过其峰值加速度来研究装配应力对综合管廊抗震性能的影响。其峰值加速度与装配应力曲线如图7所示。

通过对比不同方向不同装配应力对应的峰值加速度发现,随着装配应力的增大,水平两方向峰值加速度逐渐加大,而竖向峰值加速度逐渐减小。

另外,结构在地震荷载作用过程中,其各部位的峰值位移表征着管廊与土体之间相互作用的强弱,能够直观地表现出结构的动力反应,且通过对比不同装配应力下的峰值位移,可以得到装配应力对管廊抗震性能的影响。

图8为不同装配应力下管廊的峰值位移,可以看出,峰值位移随着管廊高度增加呈增大趋势,表明越接近地表,结构的动力反应越剧烈,与现有研究结果一致[14]。另外,除了连接孔道部位外,其余位置处结构峰值位移随着装配应力的增大而增大,表明装配应力提高管廊整体性的同时,其地震响应也得到了增大。

除了加速度和位移的反应时程曲线外,管廊结构自身在地震过程中的受力性能也是其抗震性能的一项重要指标。考虑到三维结构视图的影响,且内置的钢筋笼与结构自身受力状态有着很大的相关性,故采用分析钢筋笼的方法,侧面反映不同装配应力下管廊在地震过程中的受力反应。

钢筋笼在地震作用下受力分布如图9(a)所示,可以发现,应力最大部位主要为管廊底板腋角处,为此,提取了底板4个腋角处的最大应力差,这样不仅能消除装配应力对钢筋产生的初始应力,也能更好的研究其在地震动作用过程中钢筋内力的变化趋势。通过图9(b)最大应力差发现,不同装配应力对中隔墙部位的受力影响是相同的,地震动作用下其最大应力差相等,而连接孔道部位应力差随着装配应力的加大逐渐增加,表明在地震荷载作用下,装配应力加大会加重管廊孔道部位对地震的响应。

3 结论

通过以上不同装配应力下综合管廊的相关性能研究发现,装配应力大小对综合管廊防水、受力、抗震性能等诸多方面有着很大的影响,主要结论为以下几点:

1)装配应力的施加可以有效的提高防水橡胶圈的界面接触压力,从而使结构的防水性能得到提升,但橡胶圈接触压力受施加装配应力的位置影响而伴随有分布不均匀的问题。

2)随着装配应力加大并改善防水性的同时,连接孔道部位应力集中也愈加明显,且在管廊承受地震荷载过程中,应力集中现象会随着装配应力的增加而越发加重。

3)相较于连接孔道部位,管廊各舱室顶底板中部以及侧墙中部位置在地震荷载作用下的位移响应要更大,且随着装配应力增大,这些部位的峰值位移增大。

4)伴随着装配应力的增大,管廊在承受三向地震荷载时,其竖向的峰值加速度逐渐减小,而水平向峰值加速度逐渐加大。