非液化场地和可液化场地中预制装配式钢制波纹管综合管廊抗震性能振动台试验研究

摘要： 介绍了预制装配式钢制波纹管地下综合管廊在非液化和可液化场地土环境下的系列振动台缩尺模型试验。研究结果表明：场地土与结构响应存在明显的相互影响，设计计算时应视为土-钢组合结构；管廊及其周围的土体在两类场地的动力响应存在明显的区别。具体而言，管廊及土体在可液化场地的加速度响应远小于其在非液化场地的加速度响应；在非液化场地中，管廊及内部支架结构在大震作用下均处于弹性状态，而在可液化场地中，管廊及内部支架在大震作用下均发生了一定程度的塑性破坏。为这类管廊的抗震设计计算和工程应用提供了试验和理论依据。

关键词： 波纹钢管廊；振动台试验；土-钢组合结构；抗震性能；可液化场地；非液化场地

Abstract: In the study, a set of shaking table tests are conducted to investigate the seismic behavior of prefabricated corrugated steel utility tunnels on non-liquefiable and liquefiable ground, respectively. The results indicate that there is an obvious interaction between the tunnel and surrounding ground, and the tunnel and ground should be considered as a soil-steel composite structure. The dynamic responses of the tunnel and its surrounding soil in the two sites are obviously different. Specifically, the acceleration responses of the tunnel and soil on liquefiable ground are much less than those on non-liquefiable ground. Under rare earthquakes both the tunnel and brackets remain elastic on non-liquefiable ground. However, the tunnel and brackets occur certain plastic failure on liquefiable ground. This research provides a reference for the design and construction of prefabricated corrugated steel utility tunnels.

Keywords: corrugated steel utility tunnel；shaking table test；soil-steel composite structure；seismic behavior；liquefiable ground；non-liquefiable ground

城市地下综合管廊是一种浅埋于地表下方的市政公用隧道，同时也是一种将电力、燃气和供水等多种市政管线统筹安排布置于一体的构筑物 ^[1] 。地下综合管廊起源于法国巴黎 ^[2] 。我国自1992年在浦东张杨路建成国内第1条地下综合管廊以来，相继在全国多个城市开展管廊建设。2016年7月，住建部在其颁布的《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》 ^[3] 中提出，到2020年要陆续建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊并投入运营。各省陆续颁布了自2016年起实施的城市地下综合管廊建设计划。可见，建设地下综合管廊已经成为国家和城市谋求社会可持续发展的重要方向，我国正迎来地下综合管廊的建设高潮。

1995年发生在日本的神户大地震中诸多地下结构如地铁车站等发生了严重的破坏，引起国内外学者对于地下结构抗震性能研究的广泛关注 ^[4] 。迄今为止，针对地下结构抗震性能的研究多集中在地铁车站和沉管隧道等，如CHEN等 ^[5] 开展了一系列振动台试验，研究了地铁车站在液化场地的抗震性能及破坏形式；YU等 ^[6] 开展了大型非一致激励的振动台试验研究，分析了隧道节点的振动响应；SUN等 ^[7] 针对软土层与结构的相对位置关系，展开了不均匀土对地下结构响应影响的研究。相比于其他地下结构而言，管廊结构存在一定的特殊性。一方面，管廊通常埋置于地表以下约1.5~2.5m左右，采用明挖回填的方式进行施工，属于浅埋结构。另一方面，由于管廊功能的多样性与复杂性，空间尺度较大，通常情况下跨径可达3~5m，一些工程中甚至超过10m，属于大型地下空间结构。

目前对于地下综合管廊抗震性能的研究较少，且多集中在钢筋混凝土管廊结构，如汤爱平等 ^[8] 开展的振动台试验研究，分析了矩形截面的钢筋混凝土管廊在地震作用下的动力响应特性、破坏形式及结构与周围土体的相互作用机理，并简要描述了管廊内管线的运动特点。陈隽等 ^[9] 开展了钢筋混凝土管廊在非一致激励下的振动台试验研究，指出非一致激励会显著增加模型中部应变，并使结构产生纵向应变。相比于钢筋混凝土管廊，预制装配式钢波纹管综合管廊具有运输方便、力学性能优异、施工周期短、成本较低及更加环保等优点，故其具有广阔的应用前景。但是，目前对于此类预制装配式钢波纹管综合管廊抗震性能的研究较少，LIU等 ^[10] 、YUE等 ^[11] 对钢波纹管管廊在一般场地和可液化场地分别开展了振动台模型试验研究，陈守一等 ^[12] 对浅埋钢制波纹管的抗震性能展开了数值模拟研究。鉴于此，本文通过开展预制装配式钢波纹管廊在非液化场地和可液化场地的大型振动台模型试验研究，比较了管廊在不同场地的抗震性能和动力响应区别，以期对此类大断面薄壁浅埋钢结构的研究及建设作出一定贡献。

1　振动台试验

1.1　相似比设计

该试验中模型根据似量纲分析法设计 ^[13] ，选取尺寸相似常数S _l 、弹性模量相似常数S _E 及加速度相似常数S _a 为基本参数。根据以上3个基本相似常数，计算得到其他相似常数如表1所示。

1.2　模型箱及模型土

本文针对非液化场地和可液化场地两种工况分别进行了振动台试验。非液化场地工况中选用了刚性模型箱，可液化场地工况则采用了本文自行设计制作的层状剪切模型箱，如图1所示。

图1　振动台试验所用刚性和层状剪切模型箱

Fig.1　Rigid model box and laminar shear model box used in shaking table tests

在非液化场地的振动台试验中，刚性模型箱内部尺寸：长度为1,625mm，宽度为1,175mm，高度为1,170mm。为了减少刚性模型箱边界效应对试验结果的干扰，该试验中在模型箱内壁振动方向铺设两块60mm厚的聚乙烯泡沫板，同时在非振动方向安装两块30mm厚聚乙烯泡沫板。场地土选用河砂，试验中通过调整土体含水率及压实度模拟地基土及回填土，如图2a）所示。场地布置完成后，地基土层含水率实测为10%，重度为16.7kN·m ^-3 ，回填土部分含水率实测为2%，重度为14.7kN·m ^-3 。

在可液化场地的振动台试验中，层状剪切模型箱采用长方体形状，高度为1,200mm，内部长度为1,600mm，宽度为1,200mm，由底板、矩形箱主体叠合框架、侧向限位框架柱和顶部框架组成。层间允许最大滑移量为10mm。模型场地分为饱和砂土可液化层及顶层黏性土层，见图2b）所示。

图2　非液化和可液化场地振动台试验示意图（单位：mm）

Fig.2　Schematic diagrams of shaking table tests on non-liquefiable and liquefiable ground （Unit：mm）

1.3　结构模型设计

该试验原型结构为青海省西宁市乐都区文教路的钢波纹管综合管廊结构。该管廊为直径4m的圆形钢波纹管廊，节段长度为7.2m，上覆土厚度为1.5m，管廊主体为Q235钢波纹板片拼接而成，钢波纹板片之间通过高强螺栓连接。

根据长度相似比，管廊模型结构直径为500mm，长度为900mm。管廊采用预制装配化方法拼装，分3段制作，每段由13个8.8级M16摩擦型高强螺栓连接而成，管廊主体结构模型如图3所示。模型板按照抗弯刚度等效相似性的原则设计。实际工程中采用的是波长200mm、矢高55mm、板厚6mm的Q235钢波纹板，试验中管廊模型采用板厚为4.3mm的Q235平板。

该试验中制作了波纹片粘贴在平板管廊模型外侧来模拟实际工程中土与结构的接触面形状。波纹片由可塑自由树脂制作而成，逐个拼接粘贴在平板管廊模型外侧，这样仅改变模型外接触面形状，不会影响模型结构的刚度。

为了比较不同形式支架动力响应和抗震性能的区别，在管廊模型两侧上方分别布置直立式支架和悬挂式支架，用于放置通信线缆桥架；在底部安装支座，放置供水管道。

图3　管廊及支架模型示意图（单位：mm）

Fig.3　Schematic diagrams of the utility tunnel and bracket model （Unit：mm）

1.4　传感器布置

根据场地特点，两次试验中选用的传感器主要包括：加速度传感器、拉线式位移传感器、激光位移传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、应变片及非接触式三维数字全场位移测量系统等。两次试验中的传感器布置分别如图4和图5所示。

图4　非液化场地传感器和应变片布置（单位：mm）

Fig.4　Layout of sensors and gauges on non-liquefiable ground （Unit：mm）

1.5　输入激励波及加载工况

在非液化场地的振动台试验中以南京地区场地类型与特点为依据选取激励波。该地区抗震设防烈度等级为7度，设计基本加速度值为0.10g，设计地震第一组，四类场地。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010》 ^[14] 规定，采用振型分解反应谱法，根据场地类型的反应谱曲线（图6）选取拟合程度较好的地震波原始数据。最终选取El Centro波和Taft波作为真实地震激励，并拟合1条波作为人工激励波。本次试验拟加载的烈度等级为7度基本（0.10g）、7度罕遇（0.22g）和8度罕遇（0.40g）。根据加速度相似关系放大后，实际输入激励波峰值加速度分别调整为0.20g、0.44g和0.80g。

图5　可液化场地传感器和应变片布置（单位：mm）

Fig.5　Layout of sensors and gauges on liquefiable ground （Unit：mm）

图6　输入激励波与标准反应谱加速度比较

Fig.6　Acceleration comparison between input excitation waves and standard response spectrum

在可液化场地的振动台试验中，由于土体液化后场地性质发生极大的变化，故加载工况不宜过多。试验中分别选用El Centro波（峰值加速度为0.44g）和汶川地震波（峰值加速度为0.80g）加载。首次加载后持续观测全场超孔隙水压比衰减规律，当所有监测位置的超孔隙水压比均小于0.1后开始第2次加载。试验加载工况如表2所示。

2　非液化及可液化场地振动台试验结果比较

2.1　模型结构的基频

试验测得在非液化场地中，模型结构基频为24.87Hz，而在可液化场地中，模型结构的基频为14.16Hz。两者之间因场地类型不同而存在明显的差异。这种差异说明地下结构与周围场地形成组合结构，结构与土体之间存在紧密关联，设计管廊时应充分考虑场地因素。

2.2　加速度响应

图7a）和7b）分别为非液化场地和可液化场地在激励波峰值加速度（A _PG ）为0.44g和0.80g时加速度放大系数图。通过比较可以发现二者存在以下显著差异。

在非液化场地，当A _PG =0.44g时，场地加速度响应峰值从下而上呈现出明显的放大趋势；当A _PG =0.80g时，由于底层土体发生了非线性破坏，场地加速度响应峰值放大系数分布规律为从下而上先减小（或略微增大）后明显增大。而在可液化场地，场地加速度响应峰值自下而上表现为衰减趋势。对于一般场地而言，场地的放大效应导致了加速度响应峰值自下而上的增加；而对于可液化场地而言，当受到往复荷载激励时，饱和土体的孔隙水压力上升，伴随着土体有效应力和承载力的持续下降。当孔隙水压力超过土体的初始有效应力时，土体发生液化，液化后的土体传递剪切波的效率急剧降低，所以在可液化场地中沿场地自下而上加速度响应峰值递减。

图7　非液化和可液化场地加速度放大系数

Fig.7　Acceleration amplification factors of non-liquefiable and liquefiable ground

管廊结构的加速度响应峰值如表3所示。相同激励条件下，在非液化场地中结构的加速度响应峰值远大于其在可液化场地的加速度响应峰值。原因为非液化场地对结构的约束作用较强，土体与结构之间存在非常明显的相互作用；对于可液化场地，当结构周围土体发生液化后，土体对结构的承载能力和约束作用均显著减弱，且由于液化后的土体对于地震波传播效率的大幅降低，管廊结构的加速度响应峰值明显减小。

2.3　结构应变响应

图8a）和8b）分别为非液化场地和可液化场地中测得的管廊、直立式支架和悬挂式支架应变响应幅值。可以看出，在两次试验的各个工况下，悬挂式支架的应变响应幅值均大于直立式支架的应变响应幅值，说明了管廊可以明显发挥对内部支架及管线的保护作用。

不同的是：1）模型结构在可液化场地中的应变响应幅值均远远大于其在非液化场地的应变响应幅值；2）随着输入激励波峰值加速度的增大，结构的应变响应幅值在可液化场地的增大效应明显大于其在非液化场地的增大效应；3）以上现象发生的主要原因为：液化土体在地震激励下发生液化，随着激励波强度的增大，场地土体液化范围不断增加；同时，液化后的土体位移显著增大，尤其对于表层及浅层液化土 ^[15] 。液化土层位移响应的增大及承载能力的下降导致了埋地结构较大的位移响应，进一步引发结构产生较大的应变响应。

图8　非液化和可液化场地的管廊及支架应变响应幅值

Fig.8　Strain response amplitude of the tunnel and brackets on non-liquefiable and liquefiable ground

3　结  论

本文针对预制装配式钢波纹管地下管廊这一浅埋大断面薄壁钢结构，开展了其在非液化场地和可液化场地的振动台试验研究。可以得出以下主要结论：

（1）场地类型对结构的动力响应存在明显的影响。具体而言，在不同类型场地中，模型结构的基频存在显著差异，在进行地下结构设计时，应将结构与周围场地视为组合结构。

（2）可液化场地存在明显的阻尼效应，管廊和支架在非液化场地的加速度响应峰值均明显大于其在液化场地的加速度响应峰值。同时，非液化场地与可液化场地沿深度方向的加速度放大系数也存在明显的区别。在非液化场地中管廊、内部管线及支架可能会由于较大的加速度响应而发生破坏。

（3）液化土层的大变形导致了埋地结构在液化土体中的大位移，进而引发结构产生较大的应变响应。管廊及支架结构在非液化场地的应变响应幅值远小于其在可液化场地的应变响应幅值。在非液化场地内管廊及支架结构在巨震激励下依然处于弹性状态，而在可液化场地中管廊和支架结构均发生了塑性破坏。

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