大连湾海底沉管隧道南岸段及风塔结构抗震分析_赵杰.pdf
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1、第 卷第期 年月地震工程学报 ,收稿日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目();辽宁省自然科学基金指导计划()第一作者简介:赵杰(),男,博士,副教授,主要从事地下工程、工程抗震等研究。:。赵杰,甘长江,李文杰大连湾海底沉管隧道南岸段及风塔结构抗震分析地震工程学报,():,():大连湾海底沉管隧道南岸段及风塔结构抗震分析赵杰,甘长江,李文杰(大连大学建筑工程学院,辽宁 大连 )摘要:为研究大连湾海底沉管隧道南岸段及风塔结构在地震作用下的内力规律及弹塑性阶段的损伤破坏特点,建立沉管厂房风塔三维精细化模型,采用 自带的混凝土损伤本构模型,通过振型分解反应谱法及时程分析法开展两种地震工况下结构的地
2、震响应分析。结果表明:()在设防地震作用下,向和向位移最大值分别为 和,均出现在结构通风塔顶端;()方向和方向的振型参与质量系数分别为 和 ,均满足抗震规范要求,且沉管隧道两车道连接部位的弯矩最大,为 ;()在罕遇地震下,结构最大层间位移角为 ,结构的损伤最大值均发生地震波峰值时刻;由损伤情况可以看出,结构的混凝土均未出现压坏的现象,最大拉伸损伤系数为 ,出现的部位为新风道及新风机房的顶板。因此,需要在沉管隧道两车道连接部位增强抗弯能力,在新风道及新风机房的顶板部位增加配筋,以增强抗拉能力。关键词:沉管隧道;地震响应;振型分解反应谱法;弹塑性分析;损伤破坏中图分类号:;文献标志码:文章编号:(
3、):,(,):,:;引言随着我国对沿海及近海地区的开发利用,海底沉管隧道由于自身结构简单、对海洋生态破坏小、不影响海面通航等优势,逐渐被广泛运用于交通、重要工厂取排水等领域。沉管隧道影响着沿海地区经济的发展,因此对沉管隧道开展地震作用下的安全分析具有重要意义。李秀地等通过数值分析软件 建立了能反映沉管、土体以及海水之间相互作用的非线性模型,研究分析了沉管隧道在地震作用下的应变增长规律及破坏方式。等考虑了边界影响以及土体、沉管隧道材料的非线性特征,通过有限元程序对结构进行了弹性分析。等通过梁弹簧模型对多段沉管隧道及接头进行了非线性分析。丁峻宏等考虑了土体沉管隧道、柔性接头沉管管节之间的非线性影响
4、因素,分析计算了地震作用下隧道整体的弹塑性变形,发现沉管隧道设备区及风塔作为沉管隧道至关重要的部分,一旦遭到地震的严重破坏,会导致整个隧道瘫痪。目前国外对类似工程的抗震研究集中在海底隧道主体结构,而对与主体结构相连接的复杂附属结构的抗震分析研究不够全面。臧麒等基于损伤本构模型,对沉管隧道排风塔及地下设备区结构进行了弹塑性损伤破坏分析。陈国兴等基于海床土体与沉管隧道的相互作用,采用响应位移法和时程分析法对三维非线性地震作用下的盾构隧道竖井结构进行了弹塑性分析。蒋利学等基于弹塑性模型,分析了多层砌体结构在设防和罕遇地震下的地震响应规律。张玉超等基于结构的动力特性分析,利用 有限元分析软件和纤维模型
5、理论对厂房进行了全面的地震响应分析。这些学者对复杂设备厂房、沉管隧道和竖井等进行了相关的弹塑性研究,但目前对于复杂荷载作用下海上沉管隧道设备厂房风塔研究的论文相对较少。滕军等利用 自带的混凝土弹塑性损伤本构模型,对钢筋混凝土桥梁结构进行了罕遇地震下动力弹塑性损伤分析。张志国等 通过增加塑性附加荷载及损伤附加荷载来考虑单元的弹塑性损伤,对地下洞室进行了三维动力弹塑性分析。李辉等 基于 应力张量理论以及 损伤模型,根据建筑材料和建筑结构构件的损伤指数进行了地震作用下结构的动力弹塑性损伤分析。孔宪京等 同时使用混凝土塑性损伤本构模型以及堆石料的弹塑性本构模型,对混凝土坝面板进行了动 力 弹 塑 性
6、损 伤 分 析。吴 彦 明 等 采 用 对复杂高层建筑进行了弹塑性损伤分析,对其材料及施工过程进行了非线性模拟。等 基于 自带的本构模型以及 模型 提出了可以考虑混凝土拉压刚度退化的损伤本构模型。本文运用振型分解反应谱法和时程分析法对大连湾海底沉管隧道设备区及风塔进行抗震计算,利用 及 分析软件开展设防地震作用下的弹性分析和罕遇地震作用下的弹塑性分析,研究结构在弹性及弹塑性阶段应力、应变及位移的分布特点,以期为进一步提高设备区及风塔的抗震性能提供有力的参考依据。荷载作用下结构分析方法地震作用下振型分解反应谱法振型分解反应谱法以其对地震受力特性表征中第 卷 第期赵杰,等:大连湾海底沉管隧道南岸段
7、及风塔结构抗震分析的高准确度获得了普遍认可,已作为理论基础在 建筑抗震设计规范()(以下简称规范)和国内外各类抗震分析中获得了广泛的运用。其主题思想是利用自由度为的线弹性体系将所研究的结构进行理论上的简化,再输入地震加速度,对应的微分方程为:()?()()()()式中:为结构的质量矩阵;为阻尼矩阵;为刚度矩阵;()、?()、()分别是相对于基底的加速度向量、速度向量和位移列向量;为单位向量。弹塑性分析及损伤本构模型振型分解反应谱法适用于弹性变形阶段。当地震作用较大时结构会发生塑性变形,此时需要通过时程分析法对结构变形及损伤进行分析。本文采用动力时程分析法计算分析罕遇地震下大连湾海底沉管隧道设备
8、区及风塔结构的弹塑性变化规律。由于材料自身特性,混凝土抗拉强度和抗压强度差异很大,计算中必须加以考虑。如图所示,当构件进入塑性状态后其拉、压强度降低,表明混凝土发生损伤破坏,分别用和来表示。当混凝土材料承受重复荷载时,材料的相应拉伸和压缩刚度恢复如图所示。由于在 软件中加入了混凝土单轴应力应变本构模型,因此可以直接通过软件来实现,同时在混凝土塑性损伤模型中引入了损伤指标。因为混凝土材料构件的刚度会随着损伤破坏的增加而降低,在计算时要折减混凝土的弹性刚度,可以对钢筋混凝土构件进行非线性分析,以其应力应变关系作为弹性标量损伤关系。图损伤本构模型图 图拉伸和压缩刚度变化图 设备区及风塔构体系建立工程
9、概况大连湾海底沉管隧道南岸段设备区及风塔结构包括地上两层,地下两层,中间设有电缆夹层。隧道在距南岸出洞口约 处设一座排风塔,风塔及设备区结构尺寸见图。风塔主要用于排放隧道内产生的废气并注入新鲜空气,同时也会影响整体结构的稳定性。由于设备区厂房位置处于近岸段,其内设置了不同的设备室,导致截面较为复杂。在与沉管隧道相接处存在多个排烟孔、排风孔等,整体结构的受力较为复杂,抗震要求较高。有限元建模用 和 软件建立南岸沉管隧道设备厂房风塔三维有限元模型(图),分别开展设防地震作用下结构的弹性分析和罕遇地震作用下的弹塑性分析。在 建模时,采用土层的水平阻力系数模拟回填土对结构的侧向约束,梁、柱、钢筋和支架
10、通过 进行模拟;采用四边形壳单元 模拟剪力墙和弹性楼板中的网格单元,采用三角形单元 模拟结构中不规则部分,采用质量单元模拟重混凝土。该结构模型共有 个单元,节点。其中,单元 共有 地震工程学报 年图风塔及设备区结构尺寸图(单位:)(:)图沉管隧道设备厂房风塔三维有限元模型 个,单元 共有 个,单元 共有 个,单元 共有 个。在 软件建模时,将设备厂房及风塔的主要结构分解成由梁、柱、支撑杆、底板等基本构件组成的框架结构,其中顶板厚,底板厚,侧墙厚,中墙厚,柱子断面尺寸为(长)(宽),对应的数量列于表。结构底部考虑水压力荷载,采用土层水平抗力系数模拟回填土,采用空间框架单元模拟梁、柱及支撑,采用超
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