地鐵區(qū)間隧道震害特點,震害分析方法及減震措施的探討

1、地鐵區(qū)間隧道震害特點、震害分析方法及減震措施的探討   摘要:目前,我國地鐵建設迅速發(fā)展,了解地鐵區(qū)間隧道的抗震性能十分必要,本文將綜合論述地鐵區(qū)間的震害特點及減震措施,并簡要闡述目前地鐵區(qū)間隧道地震反應分析的方法,提出存在問題,以期更好地為地鐵結構設計及抗震設防提供依據(jù)。關鍵詞:地鐵,地震,分析方法,減震   0引言       地下鐵道是城市現(xiàn)代化交通工具,且是戰(zhàn)時重要的人防工程,雖然地下工程結構有周圍土體對變形位移的約束作用,使其在受震時所產(chǎn)生的振幅大為減少,受震害的程度較地面建筑為輕,但強震給地下結構帶來的影響不容忽

2、視,這一點已被1995年日本阪神大地震所證實,日本這次地震使得地鐵區(qū)間隧道及地鐵車站受到嚴重破壞,甚至出現(xiàn)地鐵車站完全倒塌的先例,地鐵結構一旦發(fā)生破壞由于其修復困難,往往造成嚴重的經(jīng)濟損失,所以加強研究地下結構的抗震性能,對地下結構地震反應分析方法及減震措施提出響應的建議十分必要,本文將針對這些問題進行初步探討。 1 地鐵區(qū)間隧道震害特點       地鐵區(qū)間隧道屬于線性結構,在地震荷載的作用下,由于周圍介質(zhì)的存在,其動態(tài)反應會呈現(xiàn)出與地面建筑不同的特性,主要表現(xiàn)為:       (1)地鐵隧道

3、的振動變形受周圍介質(zhì)的約束作用明顯,受震害程度較輕,結構的動力反應一般不明顯表現(xiàn)出自震特性,特別是低階模態(tài)的影響。       (2)地震荷載的作用下,地鐵區(qū)間隧道和其周圍介質(zhì)一起產(chǎn)生運動,當結構存在明顯慣性或周圍介質(zhì)與結構間的剛度失配時,結構會產(chǎn)生過度變形而破壞。       (3)地鐵區(qū)間隧道的震害多發(fā)生在地質(zhì)條件有較大變化的區(qū)域,如土質(zhì)由硬質(zhì)到軟質(zhì)的過渡帶,該地帶地層間的相對位移較大直接導致結構發(fā)生破壞,相反如果地質(zhì)條件均勻,即便震級較大,結構也較安全。    

4、;   (4)地鐵區(qū)間隧道如果穿過地質(zhì)不良地帶,如斷層、沙土液化區(qū)等也易遭震害。       (5)結構斷面形狀及剛度發(fā)生明顯變化的部位,如隧洞進出口,隧洞轉彎部位及兩洞相交部位均為抗震的薄弱環(huán)節(jié)。       (6)區(qū)間隧道的破壞形式主要是彎曲裂縫、豎向裂縫,及混凝土脫落,鋼筋外露等。 2 地鐵區(qū)間隧道地震反應分析方法 2.1地震反應分析方法       以上震害特點是通過實際的震害分析得出的,在進行地鐵抗震設計時,十分有必

5、要通過數(shù)值分析了解其具體的動力行為,如何對地鐵區(qū)間隧道及其周圍土體這一結構復合系統(tǒng)進行地震反應分析是很值得探討的一個問題。通過網(wǎng)上檢索該方面研究很少。若地下結構物的下方存在這一個實際基巖層,或在相當深處存在這一個假想的基巖層,則認為基巖面以上的介質(zhì)及結構在地震力作用下,對于基巖層面發(fā)生相對運動,整個體系由于基巖面的運動而引起震動。由于地鐵區(qū)間隧道沿縱向較長,分析其動力響應問題可簡化為平面應變問題,首先進行體系離散,根據(jù)分析方法的不同,可將體系離散成兩種計算網(wǎng)格,一種是使用八結點平面等參元對區(qū)間隧道結構及周圍土體進行離散,如圖1所示;第二種方法用八結點平面等參元與六結點單向無限元及四結點雙向無限

6、元耦合進行分析,計算網(wǎng)格如圖2所示,左、右、下邊界無限延伸,上邊界為自由邊界。根據(jù)達朗貝爾原理,建立體系的運動方程為       式中,M、K分別為體系的總體質(zhì)量矩陣和總體剛度矩陣,由各單元的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣組合而成;體系的單元剛度矩陣為 kije=BTDepBt       式中t為單元厚度;為單元面積;B為應變矩陣。Dep 為彈塑性矩陣;體系的單元質(zhì)量矩陣采用一致質(zhì)量矩陣: mije=VNTNdV       C為體系的總體阻尼矩陣,由Ra

7、yleigh線性組合法確定:C=M+K       、為阻尼常數(shù);可按兩種不同的振動頻率下測得的阻尼比加以確定。         其中Ix=0,1,0,1,0,1T稱為激振矢量, Ug¨(t)為離散的地震加速度值。以EICentro地震水平記錄作為加速度輸入。計算網(wǎng)格的左右邊界采用豎向約束,下邊界采用固定邊界,上邊界為自由邊界。       地鐵結構的振動形態(tài)受地震波入射方向的影響較大,以前人們認為水平地震力是導致結構破壞的主

8、要因素,研究表明豎向地震力對結構的破壞也不容忽視,所以分析中不應單獨考慮一個方向的地震力,現(xiàn)在對豎向地震力的分析采用沖量法,但該法只能分析出豎向地震荷載作用下結構所受地震力與結構自重的比值,無法全面了解結構的動力行為,存在很大局限性,用有限元法能全面分析結構的位移、加速度、應力的變化。按(1)式豎向激振時Ug¨       Iy=10,1,0,1,0T,關于豎向加速度值的采用,一般酌情用水平值的0.250.5倍,若有地震豎向加速度記錄,應用實際記錄,EICentro豎向地震記錄,如圖3所示。有限元計算網(wǎng)格的左右邊界采用水平約束,下邊界

9、固定,上邊界自由,采用Newmark隱式時間積分法求解方程(1),即可得出水平及豎向地震荷載分別作用下任一結點的位移時程、加速度時程;單元內(nèi)任一高斯點在某時刻的主應力大小。上述平面分析方法對了解地鐵區(qū)間隧道任一斷面的地震反應有很大作用3,4。分析地鐵入口、隧道轉彎等處的地震特性可采用空間有限元進行分析。分析網(wǎng)格如圖4,筆者采用的以上分析方法有以下特點:       (1)考慮了材料的非線性;       (2)采用莫爾-庫倫屈服準則并對超出屈服點的應力進行調(diào)整;   

10、0;   (3)在非線性問題的求解過程中采用初始剛度法和切線剛度法相結合的方法,并以初始剛度法為主;       (4)可以考慮水平及豎向地震力的作用。 2.2分析中值得注意的問題       無論用平面分析方法還是空間分析法均應注意以下問題:       (1)采用有限元進行分析時,分析范圍應不小于結構尺寸的5倍,注意邊界條件的選取;下邊界最好取到基巖頂面;       (2

11、)用無限元雖可以模擬邊界條件,但其分析范圍如何取,即在何處使有限元與無限元耦合,值得進一步探討,一般認為要使有限元的分析范圍能夠包含體系塑性反應區(qū);       (3)地下與地面結構的交界處、隧道轉彎部位及兩洞相交部位,由于受力狀態(tài)復雜,而這些地方又是抗震的薄弱環(huán)節(jié),應注意對這些關鍵部位進行數(shù)值分析;       (4)地鐵結構的振動形態(tài)受地震波入射方向的影響較大,分析中不應單獨考慮一個方向的地震力,要考慮到水平及豎向地震力共同作用。以上分析只能得出豎向及水平地震力分別作用下的動力響應,如何考慮

12、兩者的共同作用值得進一步探討。 3 減震措施       根據(jù)地鐵區(qū)間隧道震害特點及動態(tài)反應分析結果,應從以下幾個方面采取措施以減輕震害:       (1)地質(zhì)方面:地鐵選線時要考慮將之置均勻、穩(wěn)定地層中,遠離斷層、風化帶及液化區(qū);       (2)結構方面:一般應采用對稱結構,避免截面尺寸變化過大,結構中的結點應盡量用彈性結點,區(qū)間隧道轉彎處交角不應過大,加強出口處的抗震設防;      

13、(3)埋深:條件許可盡量增加隧洞的埋深,以減輕震害;       (4)抗震縫的設置:沿隧洞縱向隔一定距離設置抗震縫,以減輕變形的累加,減輕震害;       (5)施工方法;施工條件允許的情況下,盡量不采用明挖法施工,如采用該法施工必須注意回填土要密實,回填土的性質(zhì)與地基土類型相似。 4 結束語       目前地鐵建設日益發(fā)展,而地下結構的抗震研究又明顯滯后于地面結構的抗震研究,文中綜合論述地鐵區(qū)間隧道的震害特點及減震措施,闡述了目前地鐵地震反應分析方法:平面八結點有限元法、平面八結點有限元與六結點無限元及四結點無限元耦合法、空間20節(jié)點有限元法,相關分析結果可參考文獻3,4,并提出了分析中需進一步研究的問題,希望能起到拋磚引玉的作用,對地鐵結構的抗震設計有所幫助。   參考文獻 1AnXuehuietal.ThecollapsemechanismofasubwaystationduringthegreatHANSHINearthquake. Cementandconcrete,1997(17) 2Senzaisamataetal.Astudyofthedamadgeof