管廊抗震专项设计

第1章抗震设计根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第1.0.1条，基本的抗震设防目标为：当遭受低于本工程抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相对于本工程抗震设防烈度的设防地震影响时，主体结构可能损坏，但经过一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震影响时，主体结构不发生倒塌或发生危及生命的严重破坏。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）第3.2.1节，城市轨道交通结构的抗震性能要求分为三个等级：于弹性工作阶段；不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全。性能要求II结构局部进入弹塑性工作阶段。III处于弹塑性工作阶段。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）第3.2.4节，重点设防类的城市轨道交通地下结构的抗震性能要求（即抗震设防目标）为：E1（100年）E2（475年）E3（2450年）II。市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）执行。地下结构抗震验算应分为强度验算、变形验算和位移验算。IE1E2作阶段，应进行结构构件的截面抗震验算及结构弹性层间位移的验算。5.41/550IIE3工作阶段，应进行结构弹塑性层间位移验算。（GB50010-2010）14.2.41/250。地震反应计算方法阶段反应分析，采用荷载-结构模型建模分析；反应加速度法及时程分析法既适用于弹性阶段反应分析也适用于弹塑性阶段反应分析，采用地层-结构模型建模分析。地下管廊除标准段外，节点均为复杂空间结构，因此拟采用时程分析法。1.2.1时程分析法尚无其他计算方法可予以代替。时程分析法采用地层-结构模型，时程动力分析时，由于直接输入地震波作用，受地震波长的影响，为保证计算结精度要求，应限制土层单元尺寸，通常竖向单元尺寸不大于1m即可满足要求。界等合理的人工边界条件，且侧向人工边界应避免采用固定或自由等不合理的边界条3.2-1。1、自由边界；2、人工边界；3、有限元计算模型；4、粘性人工边界；5、粘弹性人工边界图3.2-1合理的人工边界条件33.2-2所示。图3.2-2节段计算模型选取范围荷载分类结构上的作用荷载，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）3.3-1。表3.3-1结构荷载分类表荷载类型荷载名称永久荷载结构自重地层压力水压力及水浮力设备荷载地基下沉影响力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载（包括其动力作用）人群荷载偶然作用地震荷载荷载计算结构自重26kN／m3，22kN／m378.5kN／m3A取值。地层压力括竖向压力和水平压力。竖向压力按下列规定计算：采用明挖法施工的地下结构，按计算截面以上全部土柱重量计算。水平压力按下列规定计算：采用明挖法施工的地下结构，根据规范计入水平土压力的作用。剪强度指标；当水土合算时，采用总应力抗剪强度指标。水压力及浮力作用在地下结构上的水压力，应根据施工阶段和长期使用过程中地下水位的变化，不同的围岩条件，分别按下列规定计算：下水位最不利情况，计算水压力和浮力对结构的作用。砂性土地层的侧向水、土压力应采用水土分算。土分算。结构上部和受影响范围内的设施及建筑物压力在计算地下结构上部和受影响范围内的设施和建筑物压力时，对已有或已经批准待建的建筑物压力在结构设计中均应考虑。设备荷载设备区的计算荷载应根据设备安装、检修和正常使用的实际情况（包括动力效应）确定。地面车辆荷载起的侧向土压力。人群荷载管廊在西环路中央分隔带下，不计人群荷载。施工荷载地下结构设计应考虑施工荷载的作用，施工机具荷载取20kPa；地面超载取20kPa。地震荷载根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50068-2001)、《中国地震动参数区划图》（GB（乙类建筑80.55s。结构内力及配筋根据相关规范进行计算。荷载组合结构设计时按整体或单个构件可能出现的最不利组合进行荷载组合，荷载组合分项系数见表3.3-2。表3.3-2荷载组合分项系数表荷载组合永久荷载可变荷载水平地震作用γEh竖向地震作用γEv永久荷载+可变荷载+水平地震作用1.2（1.0）0.51.30永久荷载+可变荷载+竖向地震作用1.2（1.0）0.501.3永久荷载+可变荷载+水平地震作用+竖向地震作用1.2（1.0）0.51.30.5注：括号内的数值用于该荷载对结构作用有利时的分项系数取值。（1）承载力极限状态的荷载效应组合荷载效应的偶然组合（地震作用效应组合）：组合公式：S=γGESGE+γEhSEhK+γEvSEvK其中：S-结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值；γGE-1.2γEhγEv竖向地震作用分项系数；SGE-按重力荷载代表值计算的荷载效应，重力荷载代表值取结构自重与各可变荷载组合值的和，可变荷载的组合系数取0.5；SEhK-水平地震作用效应的标准值。SEvK-竖向地震作用效应的标准值。位于地下的管廊结构承受的外力主要有自重、土压力、静止水压力、浮力、汽车荷载等。侧壁承受的侧向土压力按照静止土压力考虑。1midas算。计算模型采用midas建立的结构离散图如图3.4-1。

图3.4-1结构离散图midascivil3.4-2~3.4-33.4-4~3.4-53.4-1~3.4-2：图3.4-2承载能力极限状态下弯矩包络图3.4-33.4-4图3.4-5正常使用极限状态下轴力包络图3.4-1。3.4-1位置内力配筋（HRB400)结构抗弯承载能力轴力（kN）弯矩（kN.m）(kN.m)顶板跨中-169.0161.7D=28毫米,间距15.0厘米429.5顶板根部-169.0-232.1D=28毫米,间距15.0厘米405.1顶板中支点-169.0-192.1D=28毫米,间距15.0厘米416.7底板跨中-182.9-74.2D=28毫米,间距15.0厘米533.6底板根部-182.9139.8D=28毫米,间距15.0厘米449.9底板中支点-182.9137.0D=28毫米,间距15.0厘米452.0侧墙跨中-155.4116.5D=25毫米,间距15.0厘米381.9侧墙顶部-254.9216.5D=28毫米,间距15.0厘米439.8侧墙根部-287.2162.1D=28毫米,间距15.0厘米485.6从上表可以得知，结构满足受力要求。正常使用极限状态下，综合管廊标准断面的计算结果见表3.4-2。表3.4-2正常使用极限状态下管廊裂缝宽度计算成果表位置内力配筋（HRB400)ωmax轴力（kN）弯矩（kN.m）(mm)顶板跨中-165.4129.3D=28毫米,间距15.0厘米0.095侧墙与顶板结合处-165.4-188.5D=28毫米,间距15.0厘米0.150侧墙与底板结合处-188.8128.2D=28毫米,间距15.0厘米0.090由上表可知，计算所得的裂缝宽度均小于规范容许值0.2mm，满足规范要求。根据国家现行标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）、《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.55s。根据地勘报告，场地类别为III类。本次时程分析根据场地类别和特征周期分区共选用三组加速度时程曲线分别计算峰值和持续时间等地震动三要素均符合规范要求。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，正确选择输入的地震加速度频谱特性可用地震影响系数曲线表征，依据所处的场地类别和设计地震分组确定。因此，所选择的实际地震波所处场地的设计分组(震中距离、震级大小)和场地类别(场地条件)应与要分析的结构所处场地相同，可以通过两者的特征周期Tg值的差异程度判定。[0.1,Tg]要求所选实录地震加速度谱在该段的均值与设计反应谱在该段的均值相差不超过10％~20%；二是对结构基本周期附近]段加速度反应谱均值进行控制，要求与设计反应谱在该段均值相差不超过10％~20%。一般以取值为宜。本次选波过程中取0.2sE2地震下设3.5-1~3.5-2。3.5-1第一条实录地震波反应谱与E23.5-2第二条实录地震波反应谱与E2设防烈度所对应的加速度峰值不同时,可将实际记录地震的加速度按比例放大或者缩小来加以修正。a(t)kg0.05；另一类为以相对值定义的相对持时，即最先与最后一个k之间的时段长度，k一般取0.3～0.5。不论实际的强震记录还是人工模拟波形，一般持续时间取结构基本周期的5～10倍。震波，从而保证所获得的人工地震波的反应谱与设计反应谱相接近。常规的人工合成地震波基本思想是用一组三角级数的和来构造一个近似的具有给加速度时程。人工模拟地震波的目标是拟合规范的设计反应谱，而反应谱和功率谱密度函数之间可以采用下面的近似转换关系：S()[ST()]2/[ln(lnp)]x k a k Tk kda 其中，ST()a 为阻尼比；p为不超过反应谱值的概率，一般可取为p0.85；Td为地震动的持续时间。N可以构造如下的三角级数来表示均值为零的平稳高斯过程A(t)Nt)kktk)k1其中，

C[4S()]1/2k x k(ul)/Nkl(k1/2)f(t波时域的非平稳性。常用的时间包络函数为：(t/t)2 0ttf(t)

1 1t1ttec(tt2)

t2tT上述方法得到的地震波的反应谱与给定的规范目标反应谱存在一定的差别，为了提高精度，需要按下式进行多次调整：S(S()Ci1)a kCi)kkSa(k)kkSa为拟合时程反应谱；kCii次迭代结果；k通过上述方法，经过多次调整得到了与设计反应谱相接近的人工模拟地震波。三要素均符合规范要求。5010%的E2502%3.5-3~3.5-5。（a）50年超越概率为10%（b）50年超越概率为2%图3.5-3第一条实际记录地震加速度时程曲线（a）50年超越概率为10%（b）50年超越概率为2%图3.5-4第二条实际记录地震加速度时程曲线（a）50年超越概率为10%（b）50年超越概率为2%图3.5-5人工模拟地震加速度时程曲线计算说明主体结构沿纵向结构形式基本连续、规则、横向结构断面不变，可只沿横向E2E3的弹塑性变形分析。-型建模。35.0在：1、全新统上组湖沼相沉积层（Q43l+h），受沿线坑塘、沟渠影响，该成因层局部缺失，5-1粉质黏土和5-2粉土层分布不稳定，同层位缺失或相互穿插分布，致使同一层位土层岩性不同，软硬不均；2（Q42m）6-1t6-1粉质黏土层中，缺失或相互渐变，砂黏不均；6-36-26-2砂黏不均；3、上更新统四组滨海～潮汐带相沉积层(Q3dmc)10-1粉质黏土、10-1t粉砂、粉砂、10-2t粉质黏土、10-310-415-35不一、砂黏不均。建立实体模型，并通过对比选择地震响应最不利的地基土分布类型进行抗震验算。计算模型3H（H高），3B（B为结构宽）程情况。计算参数

图3.6-1岩土-结构模型管廊结构混凝土强度等级为C40，采用板单元模拟，根据实际尺寸模拟板的厚度，结构参数详见表3.6-1。表3.6-1结构参数表部位混凝土等级重度(kN/m3)弹性模量(GPa)泊松比墙、板C4026.032.50.2土体动本构关系是表征土体在动载作用下力学特性的基本关系，也称动应力-应变关系。土体在动载作用下具有非线性、滞后性和变形累积性三个特点。根据岩土勘察报告，对于第一类地基土分布类型的各土层地质剖面图见图3.6-2。图3.6-2第一类地基土分布地质剖面图第一类地基土分布各土层性质及物理力学参数详见表3.6-2。表3.6-2第一类地基土分布地层参数表岩土编号岩土名称厚度（m）容重（KN/m3）内摩擦角(度)粘聚力(kPa)压缩模量（MPa）1-2素填土3.0018.810.08.03.685-1黏土2.5018.38.418.83.986-1粉质黏土3.0019.617.613.84.646-1t粉土1.0019.929.37.211.826-2粉砂9.1020.029.48.014.9910-1粉质粘土3.0019.616.114.85.3810-2粉砂1.8020.129.96.815.48X（横向—主向Z（竖向—向）。计算模型3H（H高），3B（B为结构宽）程情况。计算参数

图3.6-3岩土-结构模型管廊结构混凝土强度等级为C40，采用板单元模拟，根据实际尺寸模拟板的厚度，结构参数详见表3.6-3。表3.6-3结构参数表部位混凝土等级重度(kN/m3)弹性模量(GPa)泊松比墙、板C4026.032.50.2土体动本构关系是表征土体在动载作用下力学特性的基本关系，也称动应力-应变关系。土体在动载作用下具有非线性、滞后性和变形累积性三个特点。根据岩土勘察报告，对于第二类地基土分布类型的各土层地质剖面图见图3.6-4。图3.6-4第二类地基土分布地质剖面图第二类地基土分布各土层性质及物理力学参数详见表3.6-4。表3.6-4第二类地基土分布地层参数表岩土编号岩土名称厚度（m）容重（KN/m3）内摩擦角(度)粘聚力(kPa)压缩模量（MPa）1-2素填土2.3018.810.08.03.685-1黏土4.0018.38.418.83.986-1粉质黏土6.3019.617.613.84.646-2粉砂5.4020.029.48.014.9910-1粉质粘土5.0019.616.114.85.38X（横向—主向Z（竖向—向）。计算模型3H（H高），3B（B为结构宽）程情况。计算参数

图3.6-5岩土-结构模型管廊结构混凝土强度等级为C40，采用板单元模拟，根据实际尺寸模拟板的厚度，结构参数详见表3.6-5。表3.6-5结构参数表部位混凝土等级重度(kN/m3)弹性模量(GPa)泊松比墙、板C4026.032.50.2土体动本构关系是表征土体在动载作用下力学特性的基本关系，也称动应力-应变关系。土体在动载作用下具有非线性、滞后性和变形累积性三个特点。根据岩土勘察报告，对于第三类地基土分布类型的各土层地质剖面图见图3.6-6。图3.6-6第三类地基土分布地质剖面图第三类地基土分布各土层性质及物理力学参数详见表3.6-6。表3.6-6第三类地基土分布地层参数表岩土编号岩土名称厚度（m）容重（KN/m3）内摩擦角(度)粘聚力(kPa)压缩模量（MPa）1-2素填土2.7018.810.08.03.685-2粉土2.8019.523.37.710.936-2粉砂11.5020.029.48.014.9910-1粉质黏土4.0019.616.114.85.3810-2粉砂2.0020.129.96.815.48X（横向—主向Z（竖向—向）。E2验算方法根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.4.2节，结构构件的截面抗震验算采用以下表达式：S≤R/γRE式中：S——荷载效应组合的设计值，包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值；R——结构构件承载力设计值；γRE——结构构件承载力抗震调整系数，按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）表5.4.2选取：板、墙γRE=0.85。第一类地基土分布情况下结构内力及配筋计算第一类地基土分布情况下地震作用横向弯矩见图3.6-7。图3.6-7E2横向弯矩第一类地基土分布情况下地震作用横向轴力见图3.6-8。图3.6-8E2横向轴力第一类地基土分布情况下内力验算结果见表3.6-7。表3.6-7第一类地基土分布情况下标准断面内力验算表位置组合内力配筋（HRB400)结构抗弯承载能力轴力（kN）弯矩（kN.m）(kN.m)顶板跨中(350mm)66.0214.6D=28毫米,间距15.0厘米413.0顶板根部(350mm)-184.3-215.2D=28毫米,间距15.0厘米488.9底板跨中(400mm)-101.3245.3D=28毫米,间距15.0厘米448.2底板根部(400mm)-326.1-362.7D=28毫米,间距15.0厘米491.9侧墙跨中(350mm)-569.5-48.2D=25毫米,间距15.0厘米875.9侧墙顶部(350mm)-463.6-215.2D=28毫米,间距15.0厘米604.8侧墙根部(350mm)-619.3-352.7D=28毫米,间距15.0厘米569.4在E2地震作用条件下，承载力满足要求。第二类地基土分布情况下结构内力及配筋计算第二类地基土分布情况下地震作用横向弯矩见图3.6-9。图3.6-9E2横向弯矩第二类地基土分布情况下地震作用横向轴力见图3.6-10。图3.6-10E2横向轴力第二类地基土分布情况下内力验算结果见表3.6-8。表3.6-8第二类地基土分布情况下标准断面内力验算表位置组合内力配筋（HRB400)结构抗弯承载能力轴力（kN）弯矩（kN.m）(kN.m)顶板跨中(350mm)167.1238.9D=28毫米,间距15.0厘米413.0顶板根部(350mm)-138.0-214.6D=28毫米,间距15.0厘米470.6底板跨中(400mm)-91.9288.7D=28毫米,间距15.0厘米439.9底板根部(400mm)-330.3-405.2D=28毫米,间距15.0厘米484.4侧墙跨中(350mm)-594.5-86.9D=25毫米,间距15.0厘米844.5侧墙顶部(350mm)-482.8-213.2D=28毫米,间距15.0厘米614.7侧墙根部(350mm)-630.3-392.4D=28毫米,间距15.0厘米556.5在E2地震作用条件下，承载力满足要求。第三类地基土分布情况下结构内力及配筋计算第三类地基土分布情况下地震作用横向弯矩见图3.6-11。图3.6-11E2横向弯矩第三类地基土分布情况下地震作用横向轴力见图3.6-12。图3.6-12E2横向轴力第三类地基土分布情况下内力验算结果见表3.6-9。表3.6-9第三类地基土分布情况下标准断面内力验算表位置组合内力配筋（HRB400)结构抗弯承载能力轴力（kN）弯矩（kN.m）(kN.m)顶板跨中(350mm)228.3181.0D=28毫米,间距15.0厘米413.0顶板根部(350mm)-92.4-129.8D=28毫米,间距15.0厘米478.8底板跨中(400mm)94.9266.3D=28毫米,间距15.0厘米497.2底板根部(400mm)-240.0-303.5D=28毫米,间距15.0厘米482.4侧墙跨中(350mm)-559.5-107.1D=25毫米,间距15.0厘米798.8侧墙顶部(350mm)-446.6-128.3D=28毫米,间距15.0厘米708.2侧墙根部(350mm)-594.7-261.5D=28毫米,间距15.0厘米615.3在E2地震作用条件下，承载力满足要求。3.6-13。图3.6-13E2横向变形管廊在E2地震作用下弹性层间位移：ue25.46419.9805.484mmue5.484

1[]1e h e IE21/830<1/550，满足规范要求。3.6-14。图3.6-14E2横向变形管廊在E2地震作用下弹性层间位移：ue25.75219.2386.514mmue6.5141

[]1e h e