论文传递¦李锦强,钟紫蓝,申家旭, 等:基于IDA方法的综合管廊纵向地震易损性分析研究(《岩土工程学报》2024年第8期论文)

文摘   科学   2024-09-12 10:00   江苏  
论文引读与观点概要

综合管廊是在城市地下建造一个连续构筑物,将电力、通讯、给排水等生命线工程设施共同敷设于其中的公共基础设施。综合管廊的优势在于方便管线后期的运营和维护,有效延长了管线的使用寿命,同时可以解决城市中“蜘蛛网”“拉链公路”等问题,是保障城市可持续发展的重要地下生命线工程[1]。为了确保施工的便利性和安全性,综合管廊通常会间隔距离设置接口。地震动在传播过程中的空间非一致性不可避免地导致管廊发生拉压和弯曲变形,从而导致管廊接口发生张开或错动,接口的破坏轻则导致漏水,重则对廊内敷设的重要生命线工程造成破坏,进而威胁到人民生命财产安全。因此,综合管廊纵向地震响应分析尤为值得关注。           

近年来,国内外诸多学者针对综合管廊地震响应规律开展了一系列研究,旨在探究综合管廊结构在地震中的响应规律。Chen等[2]开展了考虑非一致激励的综合管廊缩尺振动台试验,发现管-土相互作用相对位移主要以土体变形为主要控制作用,管廊接口张开量主要集中在其中一个接口位置处。梁建文等[3]基于壳-弹簧模型对管廊-土相互作用进行建模,并采用反应位移法分析了双舱综合管廊在地震波作用下的内力和变形,发现壳-弹簧模型可以很好地模拟管廊接头的力学性能以及地震作用下结构的真实变形及内力分布,适用于管廊的纵向响应分析。Tang等[4]将综合管廊简化为梁-弹簧模型,研究了近远场地震动作用下非均匀场地中长线型综合管廊的地震响应规律,发现近场地震动相对于远场地震动具有更强的破坏性。以上研究工作表明,综合管廊在地震响应下的破坏主要以接口破坏为主。然而,这些研究仅考虑了特定地震动强度和频谱特征下结构的动力响应,不能充分反映地震动的随机性,无法对综合管廊的性能特征进行有效评估。           

增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)是一种结构地震易损性评价方法,通过对若干条具有代表性的地震动缩放至不同的地震强度等级,将缩放后的地震动作为输入开展结构的非线性动力分析并建立易损性曲线,可以有效地反映结构随着地震动强度的增加从线弹性阶段到最后破坏的全过程。IDA方法是基于性能的地震工程理论框架中的重要组成部分,近年来在地下结构抗震性能评估中日益普及。钟紫蓝等[5]、Zhong等[6]以地铁车站为研究对象,通过静力推覆分析对地铁车站在不同极限状态下的损伤限值进行定义,对不同深度处的地震动参数进行指标优选,建立了地铁车站的地震易损性曲线。Zhong等[7]和Li等[8]分别建立了以峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)、峰值速度(peak ground velocity, PGV)为地震动强度指标(intensity measure, IM),以接口张开量为结构损伤指标(damage measure, DM)的易损性曲线。禹海涛等[9]提出了基于IDA分析的沉管隧道纵向地震易损性分析方法,研究了管节长度、地震动输入方向等因素对沉管隧道的影响。Long等[10]开展了一致激励和非一致激励地震作用下盾构隧道的易损性分析,研究发现非一致激励作用下盾构隧道的破坏概率大于一致激励。目前,针对埋地管道、盾构隧道、沉管隧道等长线型地下结构的易损性研究已有开展,通过获取的易损性曲线可以很好地对不同地震强度下结构性能进行评价。综合管廊作为长线型地下结构,在强震作用下,地震破坏力主要集中在接口位置,也决定了结构的损伤状态。因此,建立以管廊接口张开量为损伤指标的综合管廊地震易损性评价是有必要的。           

鉴于此,本文将基于IDA分析的结构易损性评价方法进一步拓展至长线型综合管廊抗震性能评价中,以最大接口张开量作为结构的损伤指标,建立结构损伤等级与结构抗震性能状态的关系,对场地不同埋深位置的地震动强度指标进行优选,建立了Ⅱ类场地中长线型综合管廊地震易损性曲线,并定量地给出了管廊在不同抗震设防等级下的破坏概率,为长线型综合管廊在不同地震动强度作用下的损伤预测提供了依据。          

结  论

本文以长线型单舱综合管廊为研究对象,采用OpenSees有限元平台建立了综合管廊梁-弹簧简化模型,考虑了土体在地震动下的非线性特性。将基于IDA分析的结构易损性评价方法进一步拓展至长线型综合管廊抗震性能评价中,基于IDA结果对地震动强度指标进行优选,并提出了综合管廊不同极限状态的定义准则,最终建立了典型Ⅱ类场地中长线型综合管廊地震易损性曲线,得到以下2点结论。           

(1)以基岩位置、综合管廊底板位置以及地表位置等不同场地埋深位置处的地震动峰值参数为地震动强度指标进行损伤指标回归分析,根据结果的离散性和对数标准差可以看出,综合管廊底板位置处的峰值速度PTV最适合作为长线型综合管廊地震易损性分析的地震动强度指标。           

(2)提出了以综合管廊底板位置处的峰值速度PTV和易获取的地表位置处峰值速度PGV为地震动强度指标的地震易损性曲线,给出了综合管廊在不同地震动强度下的失效概率,可以有效地预测不同强度地震动作用下的结构的失效概率,对同类型下综合管廊抗震性能快速评价具有一定参考性。           


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