摘要：大型枢纽机场的飞机起降频繁，飞行区下穿通道的建设可以显著提高机场飞行区跑滑运行效率，在国内应用越来越广泛。而关于机场飞行区下穿通道的抗震设计，国内尚未有相对应的规范和明确的规定。本文参照《地下结构抗震设计标准》、《建筑抗震设计规范》的有关规定，采用大型有限元软件Midasgen对实际工程进行计算分析，探讨机场地下通道在地震作用下的受力状况，并对比地震组合和非地震组合的内力差异，为后续类似工程积累经验。
关键词：机场；下穿通道；箱涵；抗震设计
0、引言
我国规范中主要提倡使用的地下结构抗震设计研究方法有等效静力法、反应位移法、反应加速度法、弹性时程分析法、非线性时程分析法等，其中反应位移法因形式简便、操作简单，为设计人员广泛应用。机场下穿通道断面形状相对简单，周围土层比较均匀，埋深一般不大于30米，可以采用反应位移法进行抗震设计。
反应位移法假设地下结构地震反应的计算可以简化成平面应变问题，结构在地震时反应加速度、速度及位移等与周围地层保持一致。因天然地层在不同深度上反应位移不同，地下结构在不同的深度必然产生位移差。将该位移差以强制位移形式施加在地下结构上，并将其与其他工况的荷载进行组合，则可按静力问题来计算，来得到地下结构在地震作用下的动内力和合内力。图1是GB/T51336-2018《地下结构抗震设计标准》[1]中反应位移法的荷载模式及结构模型，在计算程序中，反应位移法将线性地下结构模型简化为弹性地基上的结构，通过地基弹簧将土体效应作用在地下结构上，然后在地基弹簧的端部施加强制位移，在结构周边施加地震动剪力，在结构上施加惯性力。反应位移法本质属于荷载结构法，静态算法，动态概念。下文通过具体工程进行分析探讨。
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图1规范中反应位移法结构计算模型图
1、工程概况
某机场飞行区下穿货运通道工程为现浇双孔钢筋混凝土闭合框架箱涵，基坑采用明挖施工，土建完成后，地表拟建停机坪和滑行道。地下通道设计使用年限为100年，结构安全等级为一级，设计时速为40km/h，地表荷载按F类A380飞机荷载考虑，通道内车辆荷载为城-A级。地下通道标准段横断面如图2，通道覆土2.5m，每个节段长20m，混凝土强度为C40，钢筋采用HRB400。工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.30g，抗震设防类别为乙类，在多遇地震下抗震性能要求为I，在基本地震下抗震性能要求为II。
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图2地下通道横断面（单位：mm）
2、模型建立
（1）地基弹簧刚度
地基弹簧刚度公式为k=KLd，式中k为压缩或剪切地基弹簧刚度，K为基床系数，L为地基的集中弹簧间距，d为地层沿结构纵向的计算长度。基床系数的取值和地下结构模型的尺寸形状、周围土层条件、覆盖层厚度等因素有关，基床系数的取值对反应位移法的精确性起到决定性的作用。由于有限元理论的发展，基床系数可以利用有限元分析计算得出。建立土层有限元模型，除去结构位置处土体，将模型侧面和地面边界固定，土层的模型参数根据一唯土层反应分析得出。在孔洞各个方向市价均布荷载q，然后分别计算各荷载条件下的变形δ，得到基床系数K=q/δ。对于矩形结构，顶底板位置处基床系数不同，应分别进行计算。由于根据地勘报告内容，有限元计算模型场地土层参数沿深度从上到下为素填土、红粘土、石灰岩，土体模型参数如表1，计算模型如图3。
表1土体模型参数
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图3土层有限元模型
由有限元模型计算得出箱涵顶、底板和侧壁处的地基弹簧刚度如表2。
表2箱涵四周地基弹簧刚度表（MPa/m）
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（2）土体变形
本工程地层均匀、结构断面形状规则无突变，地层位移u(z)和施加在弹簧非结构端的地层相对位移U'(z)按下列公式计算：
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U'(z)=u(z)-u(zB)
式中z为结构深度；umax为场地地表最大位移；H为地表至地震作用基准面的距离，对埋置于地层中的隧道结构，设计地震作用基准面宜取至隧道结构以下剪切波速大于或等于500m/s岩土层位置，对覆盖层厚度小于70m的场地，设计地震作用基准面到结构的距离不宜小于结构有效高度的两倍。依据以上原则，本通道覆盖层厚度小于70m，结构有效高度8.2m，底板埋深约11.2m，取基准面埋深H=11.2+8.2×2=27.6m，取28m。
（3）地下结构惯性力
地下结构惯性力为fi=miüi，mi为结果i单元的质量，üi为结构i单元的加速度，取峰值加速度。模型中惯性力以整体节点体力的形式施加在结构的形心上。
（4）结构周围剪力
顶板剪切力为τU=.png)
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，顶板剪切力为τB=.png)
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，侧壁剪切力为τS=(τU+τB)/2，式中G为地层动剪切模量。
（5）模型建立
根据模型参数，采用大型有限元计算软件Midasgen建立相应的计算模型如图4。模型中结构采用梁单元，取构件中心线进行建模，将周围土体作用支撑结构的地基弹簧，输入地层相对变形、结构周围剪力以及结构自身的惯性力三种地震作用，并与恒荷载、覆土荷载、飞机荷载等其他工况的荷载进行组合。
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图4反应位移法结构计算模型图
3、分析结果
（1）内力分析
在多遇地震作用下，分别计算三种地震荷载类型影响的结构内力。在土体位移作用下，弯矩最大值为274.6kN*m；在自身惯性力作用下，弯矩最大值为84.9kN*m；在土层剪力作用下，弯矩最大值为1091.5kN*m。对比三个数值可知，地层相对位移以及地层剪力对结构受力的影响是最主要的，结构自身惯性力的影响较小。地震作用下，箱涵各构件弯矩最大值和剪力最大值均发生在墙和板相交处，在墙板相交处可设置腋角适当提高结构的安全度。
（2）截面设计
本工程抗震设计荷载组合按GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[2]的规定执行，非抗震基本组合按MH/T5004-2010《民用机场排水设计规范》[3]的规定执行。箱涵在多遇地震设计状况下的内力组合值γRES与持久设计状况下的内力组合值γ0Sd的数值见图5和表3。
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图5多遇地震组合与非地震组合的箱涵弯矩图
表2多遇地震组合与非地震组合的箱涵内力表
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对比可知，验算强度时，顶板跨中、顶板中支座、底板跨中、底板中支座由持久设计状况控制，顶板边支座、侧墙、中墙、底板边支座由地震设计状况控制。可见对于浅埋的机场飞行区下穿通道，在工程设计中考虑地震荷载的作用是十分有必要的，特别是高烈度设防区，应分别验算多遇地震组合和非地震基本组合。本工程基本地震下抗震性能要求为II，箱涵各构件基本地震时的抗震承载力尚应满足公式SGE+S*Ehk≤Rk的要求，式中截面承载力标准值按材料强度标准值计算。
（3）位移分析
在基本地震作用下，箱涵变形计算结果如图7所示，最大弹性层间位移比为1/1111（小于1/550），满足《地下结构抗震设计标准》中基本地震作用下性能要求II。可以认为箱涵结构的抗震性能是安全可靠的。
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图6基本地震下水平相对位移值（mm）
4、结论
（1）机场下穿通道断面形状相对简单，周围土层比较均匀，埋深一般不大于30米，可以采用反应位移法进行抗震设计。
（2）反应位移法具有形式简便、操作简单优点，难点是基床系数取值对反应位移法的精确性起到决定性的作用。通过一唯土层反应分析，建立土层有限元模型求导基床系数，可以得出较为精确的计算结果。
（3）反应位移法三种荷载类型中，地层相对位移以及地层剪力对结构受力的影响是最主要的，结构自身惯性力的影响较小。
（4）对于浅埋的机场飞行区下穿通道结构，尤其在抗震设防烈度较高的地区，部分截面的承载力验算由地震设计状况控制，工程设计中考虑地震荷载是十分必要的。
（5）通过本文计算分析，认为地下箱涵结构的抗震性能是安全可靠的，可以在机场飞行区下穿通道广泛使用。
参考文献
[1]GB/T51336-2018，《地下结构抗震设计标准》[S]
[2]GB50011-2010，《建筑抗震设计规范》[S]
[3]MH/T5004-2010，《民用机场排水设计规范》[S]
作者简介
黄恩杰（1987-），男，广东汕头人，一级注册结构工程师，从事机场设计及咨询工作。
论文作者:黄恩杰
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：结构论文; 位移论文; 荷载论文; 组合论文; 模型论文; 土层论文; 地层论文; 《基层建设》2020年第1期论文;