CN111046468A - 地下综合管廊抗震设计方法 - Google Patents

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郭红敏
周建华
倪文龙
戴源
周浩
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D29/00—Independent underground or underwater structures; Retaining walls
    • E02D29/10—Tunnels or galleries specially adapted to house conduits, e.g. oil pipe-lines, sewer pipes ; Making conduits in situ, e.g. of concrete ; Casings, i.e. manhole shafts, access or inspection chambers or coverings of boreholes or narrow wells

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Abstract

本发明公开了一种地下综合管廊抗震设计方法，包括：确定标准段和非标准段；对标准段采用反应位移法进行受力分析；对非标准段采用时程分析法进行受力分析；根据受力分析结果确定结构尺寸。现有技术中，往往通过反应位移法对结构进行计算，再通过时程分析法进行复核。对于地下管廊这种形状较为规则、但周围土层环境变化较大的结构，没有一个高效的计算方法。而本方法通过定义标准段和非标准段，然后对标准段和非标准段分别采用不同的计算方法，在保证了结构安全的同时，减少了计算复杂度。

Description

地下综合管廊抗震设计方法
技术领域
本发明涉及地下综合管廊抗震设计技术，尤其涉及一种地下综合管廊抗震设计方法。
背景技术
地下综合管廊就是″地下城市管道综合走廊″，即在城市地下建造一个隧道空间，将市政、电力、通讯、燃气、给排水等各种管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理。综合管廊在不同的国家和地区有着不同的名称。在日本将综合管廊成为“共同沟″，在我国台湾省将综合管廊成为“共同管道″，在欧美则将综合管廊称为“Common Service Tunnel″。
目前国内外在地下结构抗震分析中，采用的隧道及地下结构抗震设计方法有：反应谱法、反应位移法和时程分析法等。然而对于反应位移法和时程分析法均有一定的局限性，在工程实践中都有无法避免的缺点，如何合理地利用这些方法，提出一种地下综合管廊抗震设计方法，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够合理计算地震作用的地下综合管廊抗震设计方法。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种地下综合管廊抗震设计方法，包括：确定标准段和非标准段；对标准段采用反应位移法进行受力分析；对非标准段采用时程分析法进行受力分析；根据受力分析结果确定结构尺寸。
在一实施例中，该方法的所述确定标准段和非标准段包括：根据地质勘探资料，判断周围地层分布是否均匀、规则，判断该段管廊是否具有对称轴，长宽比或高宽比是否均大于3，如上述条件均满足，则为标准段，如没有均满足，则为非标准段。
在一实施例中，该方法的所述反应位移法计算受力具体包括：建立标准段的二维有限元模型，输入土体参数，根据反应位移法公式计算标准段各部位的受力状况。
在一实施例中，该方法的所述时程分析法进行受力分析包括：建立非标准段的二维有限元模型，输入地震波参数和土体参数，根据时程分析法计算节点段的受力状况。
在一实施例中，该方法的所述地震波参数包括至少两组实际强震记录和至少一组人工模拟的加速度时程曲线。
在一实施例中，该方法的所述地震波的输入方向为水平横向。
在一实施例中，该方法的根据公式
Figure BDA0002315239830000021
对所述实际强震的加速度幅值进行调整，其中a′(t)为调整后地震加速度时程；a′max为调整后地震加速度峰值；amax为原记录的地震加速度峰值；a(t)为原记录的地震加速度时程。
在一实施例中，该方法的所述非标准段的二维有限元模型的侧面人工边界距管廊的距离不小于3倍水平有效宽度，所述非标准段的二维有限元模型的地面人工边界取至设计地震作用基准面且距管廊的距离不小于3倍管廊竖向有效高度。
本发明实施例的有益效果是：现有技术中，往往通过反应位移法对结构进行计算，再通过时程分析法进行复核。对于地下管廊这种形状较为规则、但周围土层环境变化较大的结构，没有一个高效的计算方法。而本方法通过定义标准段和非标准段，然后对标准段和非标准段分别采用不同的计算方法，在保证了结构安全的同时，减少了计算复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是本发明方法实施例的流程示意图；
图2是本发明方法实施例的反应位移法剪力分析示意图；
图3是本发明方法实施例的时程分析法中所使用的EI-Centro地震波时程曲线示意图；
图4是本发明方法实施例的时程分析法中所使用的San Fernando地震波时程曲线示意图；
图5是本发明方法实施例的时程分析法中所使用的人工波时程曲线地震波时程曲线示意图；
图6是本发明方法实施例的时程分析法剪力分析示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种地下综合管廊抗震设计方法，包括：确定标准段和非标准段；对标准段采用反应位移法进行受力分析；对非标准段采用时程分析法进行受力分析；根据受力分析结果确定结构尺寸；设置变形缝。
本领域技术人员容易理解地，对于几何体形简单的结构，可以采用反应位移法来进行计算分析，反应位移法的计算偏于保守，结构较为安全；反应位移法是适用于地层条件和结构形体简单的一种地下结构地震反应的简化拟静力分析方法，其用地震时周围地层的变形作为地震作用，比较符合地下结构地震时的振动特点。对于几何体形复杂的结构，可以采用时程分析法来进行计算分析；时程分析法精度较高，但由于需要较深的多方面专业知识和技能，对使用者要求较高且操作繁杂，其计算结果的评价也不容易。
现有技术中，往往通过反应位移法对结构进行计算，再通过时程分析法进行复核。对于地下管廊这种形状较为规则、但周围土层环境变化较大的结构，没有一个高效的计算方法。而本方法通过定义标准段和非标准段，然后对标准段和非标准段分别采用不同的计算方法，在保证了结构安全的同时，减少了计算复杂度。
具体而言，本方法中的确定标准段和非标准段包括：根据地质勘探资料，判断管廊周围地层分布是否均匀、规则，判断该段管廊是否具有对称轴，长宽比或高宽比是否大于3，如果该段管廊对这些条件均满足，则为标准段，采用反应位移法计算受力；如有任意一条不满足，则为非标准段，采用时程分析法进行受力分析。
反应位移法计算受力具体包括：建立标准段的二维有限元模型，输入土体参数，根据反应位移法公式计算标准段各部位的轴力、剪力和弯矩，还可以计算土体传递给结构的节点等效荷载、车站周边的剪力流和地震惯性力。
反应位移法的位移计算公式为：
Figure BDA0002315239830000051
u′(z)＝u(z)-u(zB)， (2)
其中u(z)为深度z处自由土层地震反应位移；umax为场地地表最大位移；
H为地面至地震作用基准面的距离；u′(z)为深度z处相对于结构底部的自由土层相对位移；u(zB)为结构底部深度zB处的自由土层地震反应位移。
F＝ks， (3)
k＝ALd， (4)
其中，F为相对位移等效集中力；k为弹簧刚度系数；s为土层位移；A为地基水平向反力系数；L为弹簧间距；d为计算断面沿管廊纵向的计算长度。
通过一维土层反应分析得到顶板、底板处土层剪力。再通过以下近似方法计算侧壁剪力：
τ侧壁＝0.5×(τ顶板+τ底板)， (5)
地震惯性力计算公式：
F1＝G·αmax， (6)
F1为结构惯性力；G为结构质量；αmax为相应工况下地震峰值加速度。
根据上述受力计算结果，按照建筑规范对结构构件的截面进行设计计算，在此不再赘述。
时程分析法进行受力分析包括：建立非标准段的二维有限元模型，输入地震波参数和土体参数，根据时程分析法计算非标准段的轴力、剪力和弯矩等受力情况。由于计算较为复杂，在本实施例中采用Midas软件进行建模计算。土体基本参数采用相关地址勘探报告中的参数，地震波参数包括不少于两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。在本实施例中，地震波选取美国EI-Centro波、美国San Fernando波，人工模拟加速度按本场地地震要求使用软件内置的反应谱数据库，转换数据得到的人工模拟波三种地震波作用地震动荷载输入，加速度时程曲线如图2～4所示，输入位置为模型底部。地震波的输入方向为水平横向。
此外，还需要根据公式
Figure BDA0002315239830000071
对实际强震的加速度幅值进行调整，其中a′(t)为调整后地震加速度时程；a′max为调整后地震加速度峰值；amax为原记录的地震加速度峰值；a(t)为原记录的地震加速度时程。
需要注意的是，计算模型的侧面人工边界距管廊的距离不小于3倍水平有效宽度，地面人工边界取至设计地震作用基准面且距管廊的距离不小于3 倍管廊竖向有效高度。
此外，地下综合管廊主体结构的抗震构造措施与常规地下建筑结构类同，但地下综合管廊结构为纵向长条形结构，每隔约30米需要设置一道纵向变形缝，这就与常规地下建筑结构有所不同。
在地下综合管廊结构变形缝处设置剪力杆构造措施，在正常使用状态下既适应结构纵向伸缩的变形要求，又协调缝两侧的沉降；同时在地震工况下满足抗震受力及纵向变形要求，控制管廊结构的相对错位，满足管廊结构防水材料的水密性要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，包括：确定标准段和非标准段；对标准段采用反应位移法进行受力分析；对非标准段采用时程分析法进行受力分析；根据受力分析结果确定地下综合管廊的结构尺寸。
2.根据权利要求1所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，所述确定标准段和非标准段包括：根据地质勘探资料，判断周围地层分布是否均匀、规则，判断该段管廊是否具有对称轴，判断长宽比或高宽比是否均大于3，如上述条件均满足，则为标准段，如没有均满足，则为非标准段。
3.根据权利要求1所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，所述反应位移法计算受力具体包括：建立标准段的二维有限元模型，输入土体参数，根据反应位移法计算标准段各部位的受力状况。
4.根据权利要求1或3所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，所述时程分析法进行受力分析包括：建立非标准段的二维有限元模型，输入地震波参数和土体参数，根据时程分析法计算节点段的受力状况。
5.根据权利要求4所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，所述地震波参数包括至少两组实际强震记录和至少一组人工模拟的加速度时程曲线。
6.根据权利要求5所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，所述地震波的输入方向为水平横向，输入位置为模型底部。
7.根据权利要求6所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，根据公式
Figure FDA0002315239820000011
对所述实际强震的加速度幅值进行调整，其中a′(t)为调整后地震加速度时程；a′max为调整后地震加速度峰值；amax为原记录的地震加速度峰值；a(t)为原记录的地震加速度时程。
8.根据权利要求4所述的地下综合管廊抗震设计方法，其特征在于，所述非标准段的二维有限元模型的侧面人工边界距管廊的距离不小于3倍水平有效宽度，所述非标准段的二维有限元模型的地面人工边界取至设计地震作用基准面且距管廊的距离不小于3倍管廊竖向有效高度。
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