盾構(gòu)隧道縱向地震響應(yīng)分析

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1、盾構(gòu)隧道縱向地震響應(yīng)分析摘　要:為了探討盾構(gòu)隧道的縱向地震響應(yīng)特性,采用地層-隧道整體三維有限元模型,對(duì)武漢長(zhǎng)江越江盾構(gòu)隧道的地震響應(yīng)進(jìn)行了分析,主要研究了合理的盾構(gòu)隧道力學(xué)模型、隧道與地層之間的相互作用以及隧道的振動(dòng)特性.通過(guò)隧道與地層的整體分析,得到了盾構(gòu)隧道位移和應(yīng)力的分布及其隨時(shí)間的變化曲線.計(jì)算結(jié)果表明:壓縮波引起的縱向拉、壓應(yīng)力和剪切波引起的扭曲變形是隧道抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;三維有限元法;地震響應(yīng)分析12目前常采用反應(yīng)位移法和時(shí)程響應(yīng)法進(jìn)行隧道縱向抗震設(shè)計(jì).反應(yīng)位移法認(rèn)為地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)對(duì)地層的反應(yīng)具

2、有追隨性,結(jié)構(gòu)的加速度和位移都隨地層的響應(yīng)而反應(yīng),結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加地震應(yīng)力和應(yīng)變是由于地層位移差產(chǎn)生的.該方法概念明確,計(jì)算簡(jiǎn)便,在均勻地層中得到較好應(yīng)用[1,2].用時(shí)程響應(yīng)法計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)時(shí),將結(jié)構(gòu)和土層作為一個(gè)整體,考慮結(jié)構(gòu)與土層的相互作用,建立整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程,通過(guò)直接輸入地震加速度時(shí)程曲線,求得各時(shí)刻結(jié)構(gòu)的加速度、速度、位移和應(yīng)力.此方法能較好地反映動(dòng)力響應(yīng)的全過(guò)程,并且能比較直觀地估計(jì)結(jié)構(gòu)的變形和識(shí)別結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),在沉管隧道等結(jié)構(gòu)中得到了較好的應(yīng)用[3,4].近年來(lái),隨著盾構(gòu)隧道的大量修建,其抗震性

3、能受到極大關(guān)注,但目前這方面的研究成果較少,特別是對(duì)盾構(gòu)隧道縱向抗震性能的研究更薄弱.原因在于:(1)盾構(gòu)隧道由管片通過(guò)環(huán)向螺栓連接成環(huán)后,再用縱向螺栓把各環(huán)通過(guò)通縫或錯(cuò)縫拼裝而成,環(huán)間接頭具有相對(duì)柔性,使得盾構(gòu)隧道的縱向剛度不一致,如何考慮盾構(gòu)隧道縱向接頭對(duì)抗震性能的影響較困難.(2)隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和計(jì)算邊界的處理較困難.計(jì)算隧道縱向地震響應(yīng)時(shí),邊界長(zhǎng)度的確定既要能體現(xiàn)隧道線狀結(jié)構(gòu)的縱向特性,考慮計(jì)算能力的可行性,還要設(shè)法消除人工邊界導(dǎo)致的地震波反射作用.目前在盾構(gòu)隧道縱向地震響應(yīng)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(jiǎn)化計(jì)算[5],這2種方式都與實(shí)際情況不完全相符.本文中采用三維瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法,對(duì)武漢長(zhǎng)江越江盾構(gòu)隧道進(jìn)行了縱向抗震分析,對(duì)隧道縱向剛度和邊界條件作了適當(dāng)處理,采用100a超越概率為2%的人工地震波,運(yùn)用行波理論計(jì)算了3種不同工況下盾構(gòu)隧道的縱向地震響應(yīng).1計(jì)算模型12武漢長(zhǎng)江盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.0m,外徑5.5m,幅寬2.0m,隧道以九等分管片錯(cuò)縫10°拼裝.該隧道縱向地震響應(yīng)整體分析模型見(jiàn)圖1,計(jì)算范圍在z,x,y軸方向即長(zhǎng)、寬、高分別為1000,60和30m.

5、模型按隧道的實(shí)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(xì)砂巖、中粗砂巖和粉細(xì)砂巖,其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.盾構(gòu)隧道用梁?jiǎn)卧M,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(gòu)隧道簡(jiǎn)化成剛度沿縱向不變的連續(xù)梁時(shí),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(gòu)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(zhǎng)度為ls

6、的管片等效為m/n環(huán)長(zhǎng)度為nls的管片的等效軸向拉(壓)剛度模型見(jiàn)圖2.12設(shè)在軸力N作用下,軸向?qū)嶋H伸長(zhǎng)則根據(jù)u1=u2,可以計(jì)算出軸向剛度折減系數(shù)式中:ls為盾構(gòu)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(gòu)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(jì)算中,縱向1000m共500環(huán),等效成1環(huán)進(jìn)行剛度等

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

8、大值都發(fā)生在大約3~8s間,8s以后呈較強(qiáng)的衰減趨勢(shì)[8].12地震波在地殼中傳播時(shí),地層介質(zhì)的阻尼和粘滯作用會(huì)使其衰減和被過(guò)濾,同時(shí),地層具有一定的柔性和變形能力,因此,地震波的速度、強(qiáng)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(jié)構(gòu)依