盾構隧道縱向地震響應分析

《盾構隧道縱向地震響應分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、盾構隧道縱向地震響應分析摘　要:為了探討盾構隧道的縱向地震響應特性,采用地層-隧道整體三維有限元模型,對武漢長江越江盾構隧道的地震響應進行了分析,主要研究了合理的盾構隧道力學模型、隧道與地層之間的相互作用以及隧道的振動特性.通過隧道與地層的整體分析,得到了盾構隧道位移和應力的分布及其隨時間的變化曲線.計算結果表明:壓縮波引起的縱向拉、壓應力和剪切波引起的扭曲變形是隧道抗震設計的關鍵.關鍵詞:盾構隧道;三維有限元法;地震響應分析12目前常采用反應位移法和時程響應法進行隧道縱向抗震設計.反應位移法認為地震時地下結構對地層的反應具

2、有追隨性,結構的加速度和位移都隨地層的響應而反應,結構產(chǎn)生的附加地震應力和應變是由于地層位移差產(chǎn)生的.該方法概念明確,計算簡便,在均勻地層中得到較好應用[1,2].用時程響應法計算地下結構的地震響應時,將結構和土層作為一個整體,考慮結構與土層的相互作用,建立整個系統(tǒng)的運動微分方程,通過直接輸入地震加速度時程曲線,求得各時刻結構的加速度、速度、位移和應力.此方法能較好地反映動力響應的全過程,并且能比較直觀地估計結構的變形和識別結構的薄弱環(huán)節(jié),在沉管隧道等結構中得到了較好的應用[3,4].近年來,隨著盾構隧道的大量修建,其抗震性

3、能受到極大關注,但目前這方面的研究成果較少,特別是對盾構隧道縱向抗震性能的研究更薄弱.原因在于:(1)盾構隧道由管片通過環(huán)向螺栓連接成環(huán)后,再用縱向螺栓把各環(huán)通過通縫或錯縫拼裝而成,環(huán)間接頭具有相對柔性,使得盾構隧道的縱向剛度不一致,如何考慮盾構隧道縱向接頭對抗震性能的影響較困難.(2)隧道結構長度和計算邊界的處理較困難.計算隧道縱向地震響應時,邊界長度的確定既要能體現(xiàn)隧道線狀結構的縱向特性,考慮計算能力的可行性,還要設法消除人工邊界導致的地震波反射作用.目前在盾構隧道縱向地震響應分析中,或?qū)в薪宇^的隧道用等效質(zhì)量彈簧模型

4、模擬[1,3,4],或按地震波沿隧道縱向呈正弦分布簡化計算[5],這2種方式都與實際情況不完全相符.本文中采用三維瞬態(tài)動力學分析方法,對武漢長江越江盾構隧道進行了縱向抗震分析,對隧道縱向剛度和邊界條件作了適當處理,采用100a超越概率為2%的人工地震波,運用行波理論計算了3種不同工況下盾構隧道的縱向地震響應.1計算模型12武漢長江盾構隧道內(nèi)徑5.0m,外徑5.5m,幅寬2.0m,隧道以九等分管片錯縫10°拼裝.該隧道縱向地震響應整體分析模型見圖1,計算范圍在z,x,y軸方向即長、寬、高分別為1000,60和30m.

5、模型按隧道的實際地層情況建立,底部為泥質(zhì)粉砂巖,自下而上分別為厚15.0,3.5,11.5m的粉細砂巖、中粗砂巖和粉細砂巖,其物理力學參數(shù)見表1.盾構隧道用梁單元模擬,地層邊界用彈簧和阻尼器并聯(lián)而成的彈簧阻尼單元模擬,這樣可以有效消除邊界能量,較好地反映邊界上波的透射,避免由于固定約束引起的能量全反射.2縱向剛度的等效處理前已述及,把盾構隧道簡化成剛度沿縱向不變的連續(xù)梁時,必須考慮環(huán)間縱向接頭的影響.根據(jù)等效變形的原則,可以求得盾構隧道分別在拉(壓)、剪切和彎矩作用下的剛度折減系數(shù)[7].以縱向拉(壓)為例,把m環(huán)長度為ls

6、的管片等效為m/n環(huán)長度為nls的管片的等效軸向拉(壓)剛度模型見圖2.12設在軸力N作用下,軸向?qū)嶋H伸長則根據(jù)u1=u2,可以計算出軸向剛度折減系數(shù)式中:ls為盾構隧道管片的幅寬;EA為管片環(huán)的軸向拉(壓)剛度;KN為隧道縱向接頭軸向拉(壓)彈簧的彈性系數(shù).同理,可以分別求得盾構隧道縱向等效剪切剛度折減系數(shù)ηQ和縱向等效彎曲剛度折減系數(shù)ηM:式中:GA為管片環(huán)的剪切剛度;KQ為隧道縱向接頭剪切彈簧的彈性系數(shù);EI為管片環(huán)的彎曲剛度;KM為隧道縱向接頭彎曲彈簧的彈性系數(shù).計算中,縱向1000m共500環(huán),等效成1環(huán)進行剛度等

7、效處理.3地震波輸入方式為了解地層的振動特性,首先根據(jù)成層重復反射理論,用一維土柱模型分析該盾構隧道場地地層的動力響應.選取隧道處的實際地層進行分析,基巖為泥質(zhì)粉砂巖,采用彈性本構關系.表層地層則采用與應變相關的材料特性(動剪切彈性模量和阻尼比)表征其非線性特性.按照輸入場地地質(zhì)條件合成的人工地震波(100a一遇概率水準為2%的前10s),加速度峰值為1.431m/s2,如圖3.從基底進行單向激勵,計算出地層的地震響應,包括加速度、速度、位移和層間剪應力響應.根據(jù)場地地層的地震響應分析結果,各地層的加速度、位移和剪應力響應最

8、大值都發(fā)生在大約3~8s間,8s以后呈較強的衰減趨勢[8].12地震波在地殼中傳播時,地層介質(zhì)的阻尼和粘滯作用會使其衰減和被過濾,同時,地層具有一定的柔性和變形能力,因此,地震波的速度、強度和頻率特性都受地層介質(zhì)物理性質(zhì)的控制.地震波在地層介質(zhì)中按一定方向、以一定速度傳播,使地層中的結構依