随着中国经济的飞速发展以及城市化进程的加快,城市人口和车辆数量急剧增加,导致城市交通拥堵问题日益严重。下立交隧道,也称作“下穿道路隧道”,作为城市地下交通设施的重要组成部分,能够有效缓解地面交通压力。发生地震时,地下结构的响应不仅受地震波和自身结构的影响,还与结构所在的场地条件息息相关
[1-3]。下立交隧道在空间上呈现非均匀性特征,整体坐落于三维船形凹陷场地中,结构所处场地地形较为复杂。尤其值得注意的是,下立交隧道结构主要由两端的敞开段U形槽与中间的暗埋段框架组成,由于U形槽和箱框架的结构形式差异显著,敞开段与暗埋段的连接部位存在明显的结构刚度突变,而刚度突变部位在地震作用下更有可能遭受损伤
[4-6]。然而,目前针对这类存在刚度突变的结构地震响应的系统性研究仍然十分有限。
目前中国下立交隧道多采用明挖法施工,地连墙兼具临时支护与永久承载双重功能:施工期保障基坑安全,运营期通过叠合或复合连接与主体侧墙共同承受静、动荷载。现有研究表明,地下连续墙对地下结构地震响应的影响具有显著的双重性
[7]。一方面,其核心优势在于能显著增强结构的侧向刚度,从而有效抑制层间位移与横向变形,控制残余变形,并降低由场地特殊地形引起的动土压力,整体上提升结构的抗震性能
[8-9];另一方面,在强震作用下其可能会对结构产生不利影响
[10]。但当前研究多集中于地连墙对单一断面隧道或基坑稳定性的影响,而围绕地连墙对节段式下立交隧道结构位移与内力、节段间变形协调以及整体损伤分布的影响机制方面,尚缺乏系统性的认知。
考虑到当前地下结构抗震研究中常忽略地连墙这一问题,考虑典型软土场地,建立了土-地连墙-下立交隧道三维整体有限元模型,对比分析了有、无地连墙时下立交隧道结构的层间位移、顶底板加速度、结构损伤破坏特征以及结构关键部位内力,以期为软土地区下立交隧道更合理的抗震设计提供参考。
1 计算模型及方法
1.1 下立交隧道结构概况
以某软土场地城市下立交隧道实际工程为研究背景,其为道路主干线下穿立交平层而设计,设计标准为城市主干道。下立交隧道长为180 m,由两端敞开段和中间暗埋段组成,整个结构呈双轴对称,均采用现浇钢筋混凝土结构。
敞开段包括8个U形槽节段,各个节段横截面形状相似,截面如
图1(a)所示,每节段均长9.98 m,宽27.4 m,侧壁和底板厚1.4 m,各节段高度沿纵向变化,U形槽节段高度
h分别为7、7.6、8.2、8.65 m。暗埋段包括9个框架节段,截面如
图1(b)所示,其中,最底节段K1长19.98 m、高7.85 m,下沉标准节段(除K1外的节段)长度为9.98 m,由于结构顶板具有一定坡度,故其高度
H呈线性变化,靠近洞口端高为8.25 m,远离洞口端高7.85 m;所有框架节段顶板和侧墙均厚1 m、中隔立柱厚0.8 m、底板厚1.2 m。另外,相邻节段间均设2 cm沉降缝并附加防水层,其中下沉标准节段每节下沉0.4 m,最底节段为其覆土最深处,覆土厚度达1.6 m。地连墙与下立交隧道结构外墙以复合墙形式连接,两墙之间设防水层。
1.2 场地条件
研究对象处于典型软土场地,数值模拟时,参考《地下铁道结构抗震设计标准》(DG/TJ 08—2064—2022),土层深度取70 m,共7层土体,各层土体参数如
表1所示。
1.3 有限元模型
如
图2所示,运用ABAQUS建立软土场地-下立交隧道三维整体有限元模型,地连墙、下立交隧道结构混凝土以及周围土体均采用六面体实体单元模拟,结构钢筋采用T3D2单元模拟。网格划分时,土体单元竖向高度的上限由最小波长决定,杜修力等
[11]认为土体单元的网格应控制在输入地震波波长的1/8,所划网格的土体单元高度满足该要求。场地侧向边界采用MPC-Pin约束,以模拟自由场在地震作用下的剪切变形状态,场地地表采用自由边界。场地模型范围取180 m(长)×300 m(宽)×70 m(深),场地宽度达隧道结构宽度的11倍,以进一步降低边界反射波对隧道结构的干扰。
土体本构采用基于EERA软件分析结果的等效线性化本构模型表征土体动力行为,该模型能有效考虑地震作用下土体的材料非线性与阻尼特性,等效线性化分析所用各层土体动力特性曲线如
图3所示。鉴于阻尼对动力响应幅值的显著影响,引入Rayleigh阻尼以模拟波传播过程中的材料阻尼耗散。
混凝土采用塑性损伤本构模型,强度等级为 C40,混凝土参数如
表2所示。下立交隧道结构的主要钢筋布置如
图1所示,钢筋采用弹塑性本构模型,强度等级为HRB400,弹性模量为2×10
5 MPa,密度为7 800 kg/m
3,屈服应力为280 MPa,泊松比为0.3。暗埋段框架节段之间的橡胶止水带采用弹簧模拟,弹簧刚度参考任青等
[12]论文中的参数,
x和
y方向刚度取1×10
6 N/m,阻尼比取0.33,
z方向刚度为1×10
5 N/m。值得一提的是,上述数值模拟方法已在作者前期开展的软土地下结构振动台试验与数值对比研究中得到验证
[13-14],其精度满足要求。
为探究地连墙对下立交隧道结构横向地震响应的影响,分别建立了有、无地连墙情况下的软土场地-下立交隧道有限元模型(以下简称有墙、无墙模型)。对有墙模型,由于地连墙与下立交隧道之间设防水层,即允许地连墙与隧道侧墙间产生滑移,为模拟土体和混凝土之间以及地连墙与隧道侧墙之间的接触行为,接触面法向均采用“硬接触”,切向均采用库伦摩擦模型,摩擦系数根据已有研究
[15],分别取0.4和0.55。
选择上海人工波作为基底输入地震动,持时20.47 s,通过反演计算,得到基本地震动、极罕遇地震动设防水准对应基底输入加速度峰值(peak base acceleration, PBA)分别为0.05
g和0.215
g(
g为重力加速度),例如,对应PBA=0.05
g的加速度时程及其傅里叶谱如
图4所示。
2 结果分析
为研究地连墙对下立交隧道主体结构地震响应的影响规律,对比分析了有墙、无墙模型下的隧道结构层间位移、加速度、结构拉伸损伤以及关键截面内力。鉴于仅研究结构横向地震响应,考虑到结构对称性,取
图2中整条隧道的一半分析其结果(即图中标注节段编号的部分)。
2.1 层间位移分析
有、无地连墙时隧道各节段的层间位移峰值对比如
图5所示,结果表明,PBA=0.05
g时,与无墙模型相比,地连墙的存在明显降低了敞开段U形槽的最大层间位移,U1、U2、U3节段层间位移降幅分别达10%、17%、16%;这一结果表明,地连墙作为侧向约束,能有效增强U形槽的整体刚度、降低其侧向变形,从而提升U形槽的抗震性能。相比之下,地连墙的存在对暗埋段框架层间位移的影响较小,仅与U形槽交接的框架节段(K5)层间位移略有增大,其他节段的层间位移基本不变。
PBA=0.215g时,一方面,结构层间位移峰值相比PBA=0.05g显著递增;另一方面,与无墙模型相比,地连墙的存在将普遍放大结构层间位移。以敞开段U形槽为例,随着结构底板埋深减小,地连墙的放大作用愈来愈显著,U2、U3、U4节段层间位移增幅分别达2%、12%、24%;相比之下,地连墙的存在使得框架层间位移呈现暗埋段“端部受害、中部受益”特征。例如,与U形槽交接的节段K5和邻近节段K4(两者埋深最浅、覆土最薄)层间位移分别被放大40%、15%,其他远离端部的中间节段的层间位移则被降低8%~14%。
上述结果表明,随基底输入的震动强度由0.05g增大到0.215g,整体上,地连墙的存在将由降低层间位移的有利作用转变为放大层间位移的不利作用,对埋深最浅的隧道节段如框架K5、U形槽U4,这种不利作用尤其显著。
2.2 加速度响应分析
对无墙的下立交隧道,地震波由基底传递到结构周边紧邻场地,再经由土-结构接触面作用到结构上,激起结构的振动与变形;对有墙的下立交隧道,地连墙对隧道侧墙起着侧向支护作用,又由于地连墙的深度远大于隧道埋深,地连墙的存在势必影响地震波的传播、影响隧道结构的加速度响应。为探究地连墙的影响,对比分析了有墙、无墙时暗埋段框架顶底板的峰值加速度,结果如
图6所示。
由
图6可知,PBA=0.05
g时,与无墙模型相比,地连墙的存在将普遍降低框架顶底板的峰值加速度。对顶板而言,仅与U形槽交接的框架节段(K5)峰值加速度略有增大,其他节段的峰值加速度均呈减小趋势,且随顶板埋深增加(K4→K1),降幅越大;相比之下,所有节段底板峰值加速度普遍降低10%~20%,表明地连墙对顶底板加速度响应的影响存在一定差异。
PBA=0.215g,与无墙模型相比,地连墙的存在将显著放大所有框架节段顶板的加速度峰值,递增幅度15%~30%;对于底板,仅与U形槽交接的框架节段(K5)峰值加速度略有减小,其他节段峰值加速度均呈放大趋势,对埋深相对较深的节段K3、K2、K1,这种放大作用更显著。
上述结果表明,不同地震动强度下地连墙对暗埋段框架加速度的影响存在显著差异,且地连墙对不同框架节段、同一节段不同位置(如顶板、底板)加速度的影响也存在差异。鉴于地连墙存在有利或不利作用,对带地连墙的下立交隧道,在采用目前抗震规范中推荐的反应加速度法或反应位移法进行地下结构地震响应计算时,须考虑地连墙对下立交隧道的特殊影响。
2.3 损伤模式分析
鉴于层间位移角是抗震规范中判定矩形框架结构是否进入塑性或倒塌状态的核心指标,而前述分析表明,地连墙对下立交隧道结构层间位移的影响随地震动强度变化,既可能有利也可能不利。为此,通过分析结构的损伤程度与分布模式,对上述层间位移结果进行交叉验证,以提升结论的可靠性。如
图7所示为下立交隧道结构在不同地震动强度下的混凝土受拉损伤云图,由于U形槽始终未出现损伤,故仅展示了暗埋段框架部分。
对无地连墙的下立交隧道,对比
图7(a)和
图7(c)可知,在较低强度地震下(PBA=0.05
g),下立交隧道混凝土受拉损伤主要发生在暗埋段框架顶板与顶梁交接处,且随节段底板埋深增加,损伤程度呈增大趋势。此外,埋深最浅的K5节段存在例外,其侧墙底端受拉损伤最严重。当遭受较高强度地震时(PBA=0.215
g),与低强度情形相比,暗埋段框架顶板与顶梁交接处损伤程度进一步加重,且所有节段该位置均存在损伤;除顶板外,所有框架节段的侧墙底端、中隔立柱顶底端也出现了不同程度的受拉损伤,后者随框架底板埋深增加损伤程度呈增大趋势;尤其值得一提的是,对K1~K3节段,处于侧墙、中隔立柱之间的底板,其楼板跨中发生极严重的受拉损伤,几乎完全丧失刚度。
对有地连墙的下立交隧道,对比
图7(b)和
图7(d)可知,在较低强度地震下(PBA=0.05
g)结构未出现明显损伤,基本仍处于弹性阶段。随着强度增加到PBA=0.215
g,所有框架节段的中隔立柱顶底端出现十分明显的、几乎贯穿横截面的受拉损伤,但与无地连墙时情况相反,随框架底板埋深增加,损伤程度呈减小趋势;其次,K3~K5节段的侧墙顶部出现较严重损伤,且底板埋深越大的框架,其损伤程度越严重;此外,埋深最深的K5节段,框架顶板与顶梁交接处也出现了轻度损伤。
对比
图7中有、无地连墙情形的结果可知,整体上,地连墙的存在能显著减轻下立交隧道结构的受拉损伤,且这一作用在低强度地震下尤为明显。在高强度地震下(PBA=0.215
g),地连墙带来的有利之处在于,暗埋段框架顶板与顶梁交接处的损伤、侧墙底端的损伤、底板跨中的损伤均几乎完全消失。然而,地连墙的存在亦存在不利的一面,如地连墙放大了中隔立柱顶底端的损伤,且埋深越浅即越靠近暗埋段端部的框架,中隔立柱的损伤被放大得越厉害。可能的解释是,在框架埋深范围内,一方面,左右两个地连墙能约束内部土体的侧向变形,另一方面,“双墙”虽然起到增大框架结构抗侧刚度的效果,但地震荷载作用下结构发生的弯曲主要由中隔墙承担,导致中隔墙端部受损严重。值得一提的是,上述地连墙的“小震有利、大震可能不利”情形也出现在他人的研究之中
[16]。
为进一步分析中隔立柱的损伤发展,
图8给出了PBA=0.215
g时K1、K3、K5节段中隔立柱损伤最大节点的受拉损伤因子时程曲线。从
图8中可以看出,无论有无地连墙情况,中隔立柱混凝土受拉损伤出现时刻几乎一致;对比两者的损伤发展过程,有墙模型的损伤发展主要集中于5~6 s,而无墙模型的损伤发展主要集中于7~8 s,前者较后者损伤发展更早一些。此外,对比三个节段有无地连墙的结果可以发现,地连墙的存在会放大各节段中隔立柱的损伤程度,且埋深越浅即越靠近暗埋段端部的框架(如K5),中隔立柱损伤被放大越明显,这与前述损伤云图反映的规律相一致。
2.4 内力分析
以往针对地下箱型框架结构的研究表明,框架底板与侧墙、底板与中柱交接处受地震动激励的影响往往更显著,为结构关键部位
[17-18]。前述下立交隧道结构损伤分析同样表明,埋深不同(即离暗埋段端部不同距离)的框架,其中隔立柱、侧墙的损伤均存在一定差异。综合这些考虑,这里以K1和K5节段中隔立柱、侧墙作为代表,从内力角度进一步探究地连墙存在对结构内力分布和损伤破坏模式的影响机制,选取的代表性横截面如
图9所示。
为直观对比有、无地连墙情况下的结构内力,采用内力变化率指标,定义为有墙模型相比无墙模型同一横截面内力的最大变化率,正值代表地连墙的存在对该截面内力呈增大作用,反之,负值代表呈减小作用。
图10展示了
图9中代表性横截面在不同地震动强度下的内力变化率。
由
图10可知,在较低强度地震下(PBA=0.05
g),无论K1还是K5节段,除了使侧墙顶截面弯矩增大70%~90%外,地连墙的存在普遍降低了中隔立柱、侧墙的内力,且前者内力降幅远小于后者;鉴于轴力与前述受拉损伤的关联度更高,此处轴力的普遍降低与前述受拉损伤显著减轻[对比
图7(a)和
图7(b)]的结论相一致。
随着地震动强度增加到PBA=0.215
g,对于埋深最深的暗埋段中部框架K1,地连墙对中隔立柱内力的影响仍然有限,整体呈减小趋势;与之相比,地连墙对侧墙内力的影响较显著,且对顶底端的作用不相同:地连墙使侧墙顶部剪力大幅增加,增幅达125%;而使侧墙底端轴力与弯矩分别减小26%和37%。对于埋深最浅的暗埋段端部框架K5,最显著的特征是,地连墙的存在使侧墙顶、底端轴力分别减小30%和39%,却使中隔立柱顶、底端轴力分别增大46%和26%。鉴于轴力与前述受拉损伤的关联度更高,此处K5框架侧墙轴力减小、中隔立柱轴力增大与前述相应侧墙损伤消失、中隔立柱损伤最严重[对比
图7(c)和
图7(d)]的结论一致。
由此可见,地连墙对暗埋段不同节段内力影响的差异,正是暗埋段不同节段损伤分布与演化结果的“内因”,换句话说,内力和损伤两类响应指向的结论完全一致。
3 结论
依托软土场地城市下立交隧道实际工程,建立软土地层-下立交隧道三维有限元模型,对比有、无地连墙两种情况下,下立交隧道结构的层间位移、加速度、内力与受拉损伤等动力响应差异,分析地连墙对下立交隧道结构地震动力响应及损伤破坏模式的影响机制,得到主要结论如下。
(1)地连墙对下立交隧道结构层间位移的影响与输入地震动强度密切相关。当结构遭受基本设防水准的地震动激励时,地连墙作为侧向约束,可有效提升敞开段U形槽的整体刚度,减小其侧向变形。随着输入地震动强度从基本水准提升至极罕遇水准,地连墙对层间位移的作用会从抑制变形的有利作用转变为放大位移的不利作用,且对于埋深最浅的框架和U形槽节段,这种不利影响更为显著。
(2)地连墙对暗埋段框架加速度的影响同样与输入地震动强度密切相关,且对不同框架节段、同一节段不同位置(如顶板、底板)加速度的影响存在差异。整体来看,在基本设防水准地震动激励下,地连墙的存在通常会降低框架顶底板的峰值加速度;在极罕遇设防水准地震动激励下,地连墙的存在会显著放大框架所有顶板及大部分底板的峰值加速度。因此,在开展地下结构简化计算时,建议充分考虑地连墙对下立交隧道的特殊影响。
(3)地连墙对暗埋段框架损伤破坏模式的影响与输入地震动强度密切相关,整体呈现“小震有利、大震可能不利”的特征。总体而言,地连墙的存在可以显著减轻下立交隧道结构的受拉损伤,且这种有利作用在低强度地震下尤为突出。但在极罕遇设防水准地震动激励下,地连墙的存在会造成中隔立柱顶底端损伤放大、主要损伤发展提前等不利影响。此外,针对不同地震动强度、不同节段、不同构件,地连墙对暗埋段框架内力的影响均存在较大差异。因此,建议在下立交隧道的抗震设计中,重视地连墙引发的内力重分布与损伤发展模式变化。
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