摘 要: 在采集和分析地鐵震害類型的基礎(chǔ)上,考慮了地震荷載作用下區(qū)間隧道的受力特點(diǎn)及軟土和結(jié)構(gòu)材料的動(dòng)力特性,對(duì)軟土地層中的地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。內(nèi)容包括:地鐵區(qū)間隧道斷面的地震響應(yīng)計(jì)算,等代地震荷載的確定原則,以及在2 %、10 %和6312 %三種概率水準(zhǔn),上海市區(qū)典型區(qū)間隧道斷面的等代地震荷載及其修正系數(shù)的確定等。有關(guān)成果對(duì)地鐵區(qū)間隧道簡(jiǎn)化抗震設(shè)計(jì)方法的建立有參考價(jià)值。
引言
神戶地震發(fā)生前,世界各國(guó)對(duì)地下結(jié)構(gòu)震害的預(yù)防研究較少,原因主要是以往尚無(wú)地下結(jié)構(gòu)因發(fā)生地震而遭受?chē)?yán)重破壞的先例。神戶地震(1995 年) 首次使地鐵車(chē)站和區(qū)間隧道遭受?chē)?yán)重破壞,由此開(kāi)始引起人們對(duì)這類課題的關(guān)注,世界各國(guó)尤其是日本,許多大學(xué)教授和研究機(jī)構(gòu),紛紛針對(duì)區(qū)間隧道和地鐵車(chē)站的震害類型,研究導(dǎo)致震害的主要原因,并據(jù)以建立分析理論和建議設(shè)計(jì)方法。如Takashi MATSUDA 等(1997)
[1 ] 在對(duì)上澤地鐵站(Ka2 misawa Station) 震害調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)該站的震害機(jī)理進(jìn)行了研究;S.Nakamura 等(1997) [2 ] 從地層相對(duì)位移的角度對(duì)大開(kāi)地鐵站(Daikai Subway Station) 的破壞過(guò)程進(jìn)行了分析研究。與此同時(shí),人們對(duì)地層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化對(duì)震害的影響也給予了關(guān)注, 認(rèn)為這類因素易于導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向不均勻變形并由此導(dǎo)致震害。
[3 ] 對(duì)抗震設(shè)計(jì) 我國(guó)目前的地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范尚無(wú)具體規(guī)定,原因主要是研究工作開(kāi)展不夠,基礎(chǔ)資料不足。
[4 ] 介紹了軟土地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法,其基本思路仍為靜力法;
[5、6 ] 系統(tǒng)介紹了地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法,并將其分為波動(dòng)解法和相互作用解法(結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法) 二類。
[7 ] 從地基震陷及接縫變形角度,按假想的3 種概率水準(zhǔn)下的地震行波研究了區(qū)間隧道的抗震性能,
[8 ] 在對(duì)地震輸入波和軟土動(dòng)力參數(shù)作假設(shè)的基礎(chǔ)上,采用有效應(yīng)力動(dòng)力方法研究了軟土隧道抗震穩(wěn)定性。
上述成果對(duì)我國(guó)制定軟土地鐵結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南或規(guī)范顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,可見(jiàn)在這一領(lǐng)域開(kāi)展進(jìn)一步研究具有重要的意義。本文在采集和分析地鐵震害類型的基礎(chǔ)上
[9 ] 對(duì)軟土地層中地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)計(jì)研究確定等代地震荷載的方法,可為簡(jiǎn)化抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法的建立奠定基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),本文擬同時(shí)采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法和應(yīng)力波法進(jìn)行分析,以使結(jié)果可互相比較和驗(yàn)證。
2 地鐵區(qū)間隧道地震響應(yīng)的計(jì)算
211 有限元分析的計(jì)算簡(jiǎn)圖
以上海地鐵二號(hào)線陸家嘴站及石門(mén)一路站附近的區(qū)間隧道為例,前者地基土中含有液化層,后者則不含。為表述方便,以下將其分別稱為區(qū)間隧道1 和區(qū)間隧道2。設(shè)計(jì)研究中將埋深取為平均值15m ,斷面尺寸選為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。
基金項(xiàng)目:上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助。
鑒于資料表明上海市區(qū)的地震以水平向震動(dòng)為主,及對(duì)7 度設(shè)防地區(qū)結(jié)構(gòu)僅需考慮橫向振動(dòng)的影響,以下計(jì)算擬僅主要考慮水平向地震波的作用。
21111 基本假定
進(jìn)行動(dòng)力有限元分析的基本假定為:
(1) 地震動(dòng)時(shí),地層深部的運(yùn)動(dòng)通過(guò)隧道下方某一深度處的基巖面向上傳遞,使位于基巖面上方的巖土介質(zhì)連同其內(nèi)埋藏的隧道襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)基巖面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);
C1 6312 %概率
圖1 區(qū)間隧道1
水平向地震波(第一個(gè)加速度)
(2) 基巖面定義為地震波速大于某一定值的界面;
(3) 土2隧道體系的地震慣性力可轉(zhuǎn)化為離散化體系上的結(jié)點(diǎn)力。
(4) 基巖地震動(dòng)輸入取自上海市地震動(dòng)參數(shù)小區(qū)劃研究的成果[7 ] ,并由等效線性化一維土層地震反應(yīng)計(jì)算程序LSSRL 計(jì)算獲得基巖深度處(按鉆孔深度取地表以下70m) 的未來(lái)50 年超越概率分別為6312 %、10 %和2 %的地震動(dòng)加速度時(shí)程輸入,每個(gè)概率下有3 個(gè)輸入波,如圖1、2 所示。
21112 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分地鐵區(qū)間隧道處于半無(wú)限體地層中,橫剖面上左右和下方的邊界均在無(wú)窮遠(yuǎn)處。鑒于計(jì)算機(jī)容量的限制,本文擬以邊界效應(yīng)的影響可予忽略為前提選取計(jì)算區(qū)域。上海地鐵的區(qū)間隧道為雙孔隧道,孔徑D = 6. 2m ,兩孔之間的中心距為13m ,故在水平向,擬將計(jì)算范圍取為自隧道軸線起算向兩側(cè)各延伸215D ,總寬度為55m;豎向計(jì)算深度則取為70m。有限元分析中,計(jì)算域被離散為單元,如圖3
C1 6312 %概率
圖2 區(qū)間隧道2
水平向地震波(第一個(gè)加速度) 和圖4 所示。
圖中土層單元均為四邊形四節(jié)點(diǎn)平面單元,隧道結(jié)構(gòu)單元為厚0135m 的梁?jiǎn)卧ＡW(xué)性質(zhì)不同的土層的界面均為單元的邊界,在預(yù)計(jì)應(yīng)力梯度很大的隧道附近的部位加密單元網(wǎng)格。
21113 邊界條件和計(jì)算參數(shù)
靜力問(wèn)題分析中,對(duì)左右邊界的結(jié)點(diǎn)假設(shè)存在水平向連桿,豎直方向可自由變形;底部邊界結(jié)點(diǎn)為鉸結(jié)點(diǎn);上部邊界為自由變形邊界。采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)法計(jì)算時(shí),鑒于地震輸入為水。
此文曾發(fā)表于：《地下空間》2003年2期
原作者：鄭永來(lái) 劉曙光 楊林德 童峰
