城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討

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(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。

2、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 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

3、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

4、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1在剪切波作用下，土體變位矢量圖1中uG 剪切波行進(jìn)時(shí)，土體位移的最大幅值，即場(chǎng)地地面位移的 uS 剪切波行進(jìn)時(shí)，X軸線上土體的位移量；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。圖圖最大幅值；uS剪切波的波長(zhǎng)；L'沿隧道走向乂軸線上，剪切波的視波長(zhǎng)，即L' = L/cos << 剪切波的入射

5、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?程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50032-20XX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)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：d FE + KL(uS - uP) dx = 0 (1) 式中 FE 單元結(jié)構(gòu)上的受力 ,即 duPFE = EA dx 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 = kl Uo; kl 沿 結(jié)構(gòu)走向的單位面積彈性

6、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。的正弦表達(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)X' = 0和X' = L 2時(shí),應(yīng)為uP =u' S= 0 ,貝冋得C1=C2=0。由此可得在剪切波作用下的縱向位移為：1 '' uP= (2 n ) 2 uS = Z LuSEA 1 + KL L 式中Z L 縱向變位傳遞系數(shù),即1 =Z L EA 1 +(2 n ) 2KL L相應(yīng)的結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變量應(yīng)為 ：2 n £ p= Z LuGs

7、in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；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11地面位移幅值uG從工程實(shí)用考慮,uG值n 2 (9)式中KH 相應(yīng)設(shè)防地震烈度的水平對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)按式(7) 關(guān)重要。下面將逐一進(jìn)行探討?？砂聪率接?jì)算：KHg T2 g uG = 4向地震系數(shù)； g 重力加速度；Tg 場(chǎng)地的特征周期

8、。式(9)系按相應(yīng) 設(shè)防烈度的地震加速度換算獲得,比之實(shí)際地震記錄小得多,在GB50032中,對(duì) 承插接口管道的接口允許位移量取較為保守的數(shù)值與之相對(duì)應(yīng)，這樣處理旨在方便應(yīng)用。對(duì)地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，尚需慎重對(duì)待。對(duì)此，文獻(xiàn)5 以強(qiáng)震記錄分析為基礎(chǔ)，提出了 uG的建議值,可供參考采用。21剪切波長(zhǎng)的確 定剪切波的波長(zhǎng)可按下式計(jì)算：L = VsTg (10) 式中Vs 剪切波的行進(jìn)速度, 應(yīng)由勘察報(bào)告提供，但應(yīng)考慮到實(shí)測(cè)條件與強(qiáng)震時(shí)不同，應(yīng)按勘察報(bào)告提供實(shí)測(cè) 數(shù)值的2/ 3采用。彈性阻抗系數(shù)亦可稱(chēng)為“地基反力系數(shù)”。此項(xiàng)系數(shù)的確定比較復(fù)雜，不僅與結(jié)構(gòu)外緣的做法(防水、防腐等構(gòu)造)、場(chǎng)

9、地土質(zhì)相關(guān)，還和隧道結(jié)構(gòu)的施 工工法(明開(kāi)、盾構(gòu)、新奧法等)密切相關(guān)。針對(duì)開(kāi)槽建造的情況，結(jié)構(gòu)外緣接觸 的土體均為回填夯實(shí)土 ,通?？扇值為01060107N/mm3。如果采用不開(kāi)槽施 工,一般會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)外緣進(jìn)行灌漿，此時(shí)kl、kt的數(shù)值將取決于結(jié)構(gòu)外緣土體的 抗剪強(qiáng)度,亦即地震動(dòng)時(shí)土體的位移將通過(guò)土的抗剪強(qiáng)度傳遞給隧道結(jié)構(gòu)。對(duì)此 在確定土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，亦應(yīng)考慮室內(nèi)試驗(yàn)條件與強(qiáng)震時(shí)不同，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù) 據(jù)應(yīng)乘以小于110的折減系數(shù)(例如亦可按2/ 3取值)。關(guān)于KL、KT值的確定，日本化工設(shè)備抗震準(zhǔn)則提供了更為簡(jiǎn)化的 方法,認(rèn)為：KL= KT= 3 Gs (11)式中Gs 土的剪切模量。式(1

10、1)限定了 K值 的確定僅與場(chǎng)地土質(zhì)有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)的體量大小、構(gòu)造型式、施工方法等均無(wú)關(guān)， 無(wú)疑過(guò)于粗糙。同時(shí)應(yīng)該提及，在文獻(xiàn)5 中,對(duì)K值的確定也提供了具體建議， 可供設(shè)計(jì)參考。顯然，KL、KT值的合理確定，對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算至關(guān) 重要，但設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合安全儲(chǔ)備的考慮(例如安全系數(shù)或作用分項(xiàng)系數(shù)的取值), 綜合推敲確定。四、地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施地下隧道結(jié)構(gòu)在地震行波作用下的應(yīng)變量 ，由于結(jié)構(gòu)剛度較大，相應(yīng)的 變位傳遞系數(shù)可能較小，但仍可能使結(jié)構(gòu)難以承受。在這種情況下，可以設(shè)置變形 縫構(gòu)造來(lái)順應(yīng)地震動(dòng)位移。此時(shí)可將半個(gè)視波內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的總位移量 ，由變形縫 構(gòu)造予以吸收。半個(gè)視波長(zhǎng)范圍

11、內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的總位移量，可通過(guò)對(duì)應(yīng)變量積分獲得：n (L 2)= 2 ( Z 2 + Z TB) (12)通常變形縫構(gòu)造由帶變形圈的止水橡膠帶、高密度聚乙稀填縫板及內(nèi)表 面聚硫密封膏嵌縫、外表面膨脹型橡膠條堵縫組合而成。每個(gè)變形縫的變形量可 在30mm以上，但按30mm設(shè)計(jì)為宜。橡膠帶的老化問(wèn)題，對(duì)埋設(shè)在地下的條件， 經(jīng)唐山地震后開(kāi)挖取樣，檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)，逾70年尚保持良好。同時(shí)還應(yīng)在變形縫 處的底板下設(shè)置墊梁，梁上設(shè)滑動(dòng)層，以免造成該處突變，導(dǎo)致影響行車(chē)安全。當(dāng) 需要在半個(gè)視波長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)上設(shè)置多個(gè)變形縫時(shí)，應(yīng)考慮每個(gè)變形縫的允許位移 量不可能都充分利用，應(yīng)乘以等效系數(shù)0164予以折 減。五、結(jié)語(yǔ)

12、本文主要針對(duì)當(dāng)前地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的現(xiàn)況，提出了抗震驗(yàn)算的合理計(jì)算模型。這種計(jì)算模式,20世紀(jì)60年代末早在美國(guó)加州興建地下隧道 時(shí)應(yīng)用，有別于地面結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算方法，兩者的地震動(dòng)反應(yīng)是完全不同的，不 能混同應(yīng)用。文內(nèi)并對(duì)隨后的研究成果及信息，綜合匯入探討，尤其對(duì)各項(xiàng)計(jì)算 參數(shù)的合理確定，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)尚需多加推敲，連同抗震構(gòu)造措施，一并提供讀者 參考,以期對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有所裨益。參考文獻(xiàn)1 蘇聯(lián)結(jié)構(gòu)地震荷載計(jì)算規(guī)程，19612 T. R. Kussel1BART地下道抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1 P roceed ings of theAmerica n Socity of CivilEngin eeri ngs ,Jo urnal of the StructuralDivi2sio n Volume 95N576,June 19693 中國(guó)建筑科學(xué)研究院，清