城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討的論文

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1、城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討的論文摘要　本文主要針對(duì)當(dāng)前方興未艾的城市輕軌交通中的地下隧道,在結(jié)構(gòu)抗震分析方面進(jìn)行了探討,并提出了合理的計(jì)算方法,供讀者參考。關(guān)鍵詞　城市輕軌　隧道　抗震分析　　大城市的交通設(shè)施,無(wú)論國(guó)內(nèi)外都是人們關(guān)注的問(wèn)題,完全依賴(lài)地面交通難以獲得令人滿(mǎn)意的效果,利用地下空間開(kāi)拓城市輕軌交通,已是國(guó)際上大城市解決交通問(wèn)題的共識(shí)。自20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始,北京著手籌建地下鐵道,并于60年代末建成了國(guó)內(nèi)第一條地下軌道交通線。爾后,國(guó)內(nèi)各大城市也都在籌劃開(kāi)展地下輕軌交通的興建。我國(guó)屬多地震國(guó)家,受地震影

2、響的城市,覆蓋范圍極廣,逾70%的省會(huì)城市,抗震設(shè)防烈度均在7度(含)以上。顯然,在這些城市興建地下輕軌交通時(shí),都會(huì)涉及到結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題,但目前我國(guó)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范中,尚無(wú)明確規(guī)定合理的抗震設(shè)計(jì)方法。為此,本文針對(duì)地下輕軌交通中的隧道結(jié)構(gòu),探討其合理的抗震分析方法,提供給相關(guān)的設(shè)計(jì)人員參考。一、地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)反應(yīng)地下輕軌交通的結(jié)構(gòu)型式,可以是圓形、矩形或上頂拱形結(jié)構(gòu)等,通常與采用的施工工法相關(guān),就其在地震作用下的受力狀態(tài)而言,不論其結(jié)構(gòu)型式,均視作地下隧道線狀結(jié)構(gòu)考慮。由于城市輕軌交通的地下隧道,一般埋深較大,隧道

3、這種線狀結(jié)構(gòu)受到的阻尼作用很大,其結(jié)構(gòu)的自振頻率很高,因此地震動(dòng)引起的慣性力當(dāng)可忽略不計(jì)。.歷來(lái)對(duì)地下隧道的工程抗震驗(yàn)算,都將其視作土體的一部分,驗(yàn)算這種線狀結(jié)構(gòu)在地震行波的作用下,隧道結(jié)構(gòu)所引發(fā)的應(yīng)力(應(yīng)變)是否超過(guò)其承受的能力(與常規(guī)荷載效應(yīng)組合后)[1,2]。通過(guò)對(duì)歷次強(qiáng)烈地震中地下結(jié)構(gòu)的實(shí)際震害反映和現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)[3],確認(rèn)將地下結(jié)構(gòu)視作完全順應(yīng)地震行波作用下土體的變位,無(wú)疑是比較保守的。因?yàn)閺恼w來(lái)看,地下線狀結(jié)構(gòu)與大地波動(dòng)相比,其結(jié)構(gòu)剛度是微不足道的;但土體畢竟不是剛體,就微觀分析,結(jié)構(gòu)剛度還是有影響的,土體

4、的波動(dòng)變位還不可能完全傳遞給地下結(jié)構(gòu)。據(jù)此,目前國(guó)際上較為通用的抗震驗(yàn)算模式,乃是將地下線狀結(jié)構(gòu)視作埋設(shè)于土體中的彈性地基梁,作為工程上實(shí)用的解析模型[2,4]。二、地下隧道結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算模型的建立與應(yīng)用將地下結(jié)構(gòu)視作埋設(shè)于土體中的彈性地基長(zhǎng)梁,早在20世紀(jì)50年代后期提出并在工程上應(yīng)用。從實(shí)用出發(fā),考慮地震動(dòng)時(shí)耗能最大的剪切波的行進(jìn)作用,同時(shí)簡(jiǎn)化為正弦函數(shù)表達(dá)。根據(jù)這一前提,當(dāng)?shù)叵滤淼涝獾饺我馊肷浣?<)的剪切波作用時(shí),其影響結(jié)構(gòu)的土體變位可由圖1表示。圖1　在剪切波作用下,土體變位矢量圖圖1中　ug—剪切波行進(jìn)時(shí)

5、,土體位移的最大幅值,即場(chǎng)地地面位移的最大幅值;　　us—剪切波行進(jìn)時(shí),x軸線上土體的位移量;us—剪切波行進(jìn)時(shí),x′軸線(即沿隧道走向)上的土體位移量;　　l—剪切波的波長(zhǎng);　　l′—沿隧道走向x′軸線上,剪切波的視波長(zhǎng),即l′=l/cos<;　　<—剪切波的入射角,即剪切波行進(jìn)方向與隧道走向軸線的夾角。隧道結(jié)構(gòu)作為彈性地基梁的計(jì)算模型,如圖2所示。圖2　彈性地基梁計(jì)算模型我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》gb50032—2003中,對(duì)地下管道的抗震驗(yàn)算考慮盡量與國(guó)際接軌,就引用了這一計(jì)

6、算模型,但僅計(jì)入了沿管線走向的縱向變位。此時(shí),按圖2單元結(jié)構(gòu)上的平衡方程可得下式:dfe+kl(us-up)dx′=0(1)式中fe—單元結(jié)構(gòu)上的受力,即dup　　　　　　fe=eadx′　e—結(jié)構(gòu)材料的彈性模量;a—結(jié)構(gòu)的橫截面面積;kl—單元結(jié)構(gòu)上沿管線走向的彈性阻抗系數(shù),即kl=kluo;kl—沿結(jié)構(gòu)走向的單位面積彈性阻抗系數(shù);uo—單元結(jié)構(gòu)的外緣表面積;′us—在剪切波作用下,沿結(jié)構(gòu)走向的土體位移;up—在剪切波作用下,結(jié)構(gòu)沿走向(即縱向)的位移?！涞恼冶磉_(dá)式,以圖1設(shè)定的座標(biāo),并代入us式(1)的通解可得:當(dāng)

7、　x′=0和x′=l′2時(shí),應(yīng)為up=u′s=0,則可得c1=c2=0。由此可得在剪切波作用下的縱向位移為:1′′up=(2π)2us=ζlus(3)ea1+kll式中　ζl—縱向變位傳遞系數(shù),即1=ζlea1+(2π)2(4)kll相應(yīng)的結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變量應(yīng)為:2πεp=ζlugsin除了以式(7)提供工程抗震驗(yàn)算外,文獻(xiàn)[2]還提出了要考慮自基巖豎向傳遞至地面的剪切波作用,使隧道結(jié)構(gòu)豎向產(chǎn)生畸變,相當(dāng)于隧道的頂、底間產(chǎn)生相對(duì)偏移。這種情況與建設(shè)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件相關(guān),如果基巖埋深很大,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的畸變量甚小,可以忽略其影響

8、;如果基巖埋深很淺,隧道高度較大時(shí),則畸變影響應(yīng)予考慮。三、各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的確定對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)按式(7)進(jìn)行抗震驗(yàn)算時(shí),各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的合理擬定至關(guān)重要。下面將逐一進(jìn)行探討。11地面位移幅值ug從工程實(shí)用考慮,ug值可按下式計(jì)算:khgt2gug=4π2(9)式中　kh—相應(yīng)設(shè)防地震烈度的水平向地震系數(shù);　g—重力加速度