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《城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學術(shù)論文-天天文庫。
1、城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討摘要 本文主要針對當前方興未艾的城市輕軌交通中的地下隧道,在結(jié)構(gòu)抗震分析方面進行了探討,并提出了合理的計算方法,供讀者參考。關(guān)鍵詞 城市輕軌 隧道 抗震分析 大城市的交通設施,無論國內(nèi)外都是人們關(guān)注的問題,完全依賴地面交通難以獲得令人滿意的效果,利用地下空間開拓城市輕軌交通,已是國際上大城市解決交通問題的共識。自20世紀60年代中期開始,北京著手籌建地下鐵道,并于60年代末建成了國內(nèi)第一條地下軌道交通線。爾后,國內(nèi)各大城市也都在籌劃開展地下輕軌交通的興建。我國屬多地
2、震國家,受地震影響的城市,覆蓋范圍極廣,逾70%的省會城市,抗震設防烈度均在7度(含)以上。顯然,在這些城市興建地下輕軌交通時,都會涉及到結(jié)構(gòu)抗震問題,但目前我國相應的設計規(guī)范中,尚無明確規(guī)定合理的抗震設計方法。為此,本文針對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)的設計人員參考。一、地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)的地震動反應地下輕軌交通的結(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
3、輕軌交通的地下隧道,一般埋深較大,隧道這種線狀結(jié)構(gòu)受到的阻尼作用很大,其結(jié)構(gòu)的自振頻率很高,因此地震動引起的慣性力當可忽略不計。歷來對地下隧道的工程抗震驗算,都將其視作土體的一部分,驗算這種線狀結(jié)構(gòu)在地震行波的作用下,隧道結(jié)構(gòu)所引發(fā)的應力(應變)是否超過其承受的能力(與常規(guī)荷載效應組合后)[1,2]。通過對歷次強烈地震中地下結(jié)構(gòu)的實際震害反映和現(xiàn)場模擬試驗[3],確認將地下結(jié)構(gòu)視作完全順應地震行波作用下土體的變位,無疑是比較保守的。因為從整體來看,地下線狀結(jié)構(gòu)與大地波動相比,其結(jié)構(gòu)剛度是微不足道的;
4、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,土體的波動變位還不可能完全傳遞給地下結(jié)構(gòu)。據(jù)此,目前國際上較為通用的抗震驗算模式,乃是將地下線狀結(jié)構(gòu)視作埋設于土體中的彈性地基梁,作為工程上實用的解析模型[2,4]。二、地下隧道結(jié)構(gòu)抗震驗算模型的建立與應用將地下結(jié)構(gòu)視作埋設于土體中的彈性地基長梁,早在20世紀50年代后期提出并在工程上應用。從實用出發(fā),考慮地震動時耗能最大的剪切波的行進作用,同時簡化為正弦函數(shù)表達。根據(jù)這一前提,當?shù)叵滤淼涝獾饺我馊肷浣?<)的剪切波作用時,其影響結(jié)構(gòu)的土體
5、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—剪切波行進時,土體位移的最大幅值,即場地地面位移的最大幅值; uS—剪切波行進時,X軸線上土體的位移量;3uS—剪切波行進時,X′軸線(即沿隧道走向)上的土體位移量; L—剪切波的波長; L′—沿隧道走向X′軸線上,剪切波的視波長,即L′=L/cos<; <—剪切波的入射角,即剪切波行進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算模型,如圖2所示。圖2 彈性地基梁計算模型我國國家標準《室外給水排水和燃氣
6、熱力工程抗震設計規(guī)范》GB50032—2003中,對地下管道的抗震驗算考慮盡量與國際接軌,就引用了這一計算模型,但僅計入了沿管線走向的縱向變位。此時,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
7、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。′的正弦表達式,以圖1設定的座標,并代入uS式(1)的通解可得:當 x′=0和x′=L′2時,應為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相應的結(jié)構(gòu)縱向應變量應為:2πεp=ζLuGsin除了以式(7)提供工程抗震驗算外,文獻[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
8、隧道結(jié)構(gòu)豎向產(chǎn)生畸變,相當于隧道的頂、底間產(chǎn)生相對偏移。這種情況與建設場地的工程地質(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;如果基巖埋深很淺,隧道高度較大時,則畸變影響應予考慮。三、各項計算參數(shù)的確定對地下隧道結(jié)構(gòu)按式(7)進行抗震驗算時,各項計算參數(shù)的合理擬定至關(guān)重要。下面將逐一進行探討。11地面位移幅值uG從工程實用考慮,uG值可按下式計算:KHgT2guG=4π2(9)式中 KH—相應設防地震烈度的水平向地震系數(shù); g—重力加速度; T
