强震作用下某高速隧道抗震性能研究

强震作用下某高速隧道抗震性能研究

徐燕

淄博职业学院

摘 要：采用有限元软件模拟高速隧道在强震作用下的反应，得到一系列的地震反应结果，主要包括地基土、结构的相对位移和层间变形角，结构的变形图和损伤图，并依照相关抗震规范对隧道的抗震安全性做出了评价。

关键词 ：高速隧道；结构；抗震

高速隧道在强震作用下一旦遭受破坏，其修复难度比地上结构修复难度高、费用高昂，如果有人员伤亡，营救难度非常大，而且地下结构的破坏还会影响地上结构及地面的稳定性和安全性。因此，对于已建成高速隧道根据现行的抗震规范进行抗震分析是十分有必要的，对不符合抗震要求的高速隧道进行加固处理，以期地震来临时减少损失。

1.抗震研究分析方法

1.1地震系数法

地震系数法是从地面结构抗震设计方法类比得到的一种地下结构设计方法，原理是用等效静力荷载代替随时间变化的地震力，然后用静力计算方法分析地震作用下的结构内力。

地震系数法优点在于计算方法及计算参数的物理力学概念较为明确，容易掌握。缺点是假定结构各个位置与地表面有相同的地震动，结构上施加全部土体惯性力时，忽略了土层对结构变形的限制，造成与实际工程无法吻合。

1.2反应位移法

反应位移法的原理在于通过弹性地基梁来进行地下线状结构物的模拟，用地震时的地震位移作为已知条件作用在弹性地基上，进而求解梁上产生的应力和应变。

反应位移法的优点在于能真实的反应结构受力特点，是一种有效的抗震设计方法。缺点是当采用此方法时，用地基弹簧来模拟土与结构相互作用，在计算过程中很难确定土弹簧的刚度，而土弹簧的刚度取值对结构内力的计算结果影响较大。

1.3反应加速度法

反应加速度法是通过对各土层和地下结构施加其所在位置的水平有效反应加速度，得到整个计算模型中施加的水平有效惯性体积力，从而模拟土-结构体系的动力相互作用。

反应加速度法优点在于概念准确，能够很好地反应土-结构间的相互作用，同时忽略了相互作用系数；能够考虑复杂断面结构形式、地质条件的影响。缺点是在节点加速度和节点力施加上相对繁琐复杂，尤其是对于模型较大，划分网格较密时，计算较困难。

1.4动力时程分析法

动力时程分析法将隧道结构及周围土层看作是一个整体进行分析，研究结构和地基土在地震力作用下的动力反应及结构抗震性能和稳定性。

动力时程分析法能充分考虑土与结构的相互作用，能反映出地震的振幅、峰值及持时对结构的影响，能将隧道横断面的动态地震响应真实反映出来，可以看到任意时刻结构内力与位移的变化关系，同时能够提供结构开裂屈曲破坏的顺序，判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型，动力时程分析法相比前几类分析方法能更加准确、合理的反映工程实际。

本文采用动力时程分析法对高速隧道进行地震响应分析。

2隧道模型的建立

2.1工程概况

本文研究的高速隧道为双层箱型结构，隧道横断面结构高度为12.45m，宽度为26.01m，中壁、侧壁与顶板、底板均有加腋处理，下层竖壁与中板也进行了加腋处理。

隧道为现浇钢筋混凝土结构。结构顶板上部覆土厚度为7.51m，底板距抗震设计基岩面5m，结构处于土层特性差异比较大的粘土层与砂土层之间。

2.2模型的建立

本文选取沿隧道纵向取1m厚度的隧道横断面为研究对象，将立体问题转变为平面问题进行分析。对地基土及结构都采用平面应变单元进行模拟。

2.2.1节点设置及单元划分

在钢筋的变化位置处、构件截面尺寸变化处、水平构件与竖直构件交界处、土层分界线、地下水位线处必须设置节点，其余部分按照D/4或D/2（D-构件截面宽度）划分节点，单元长度最好不超过D。本文地下结构采用D/2划分（结构塑性区域按D/4划分）单元。

2.2.2模型计算范围

本文有限元分析模型中，结构两侧土层的水平长度取3倍的土层深度。土层水平划分从结构边界处开始以1M、3M、5M、8M、10M、12M、15M、20M逐渐放宽，同一宽度的划分可以有多个，最大宽度不超过20M。土层的垂直方向细化的高度不超过1/100的剪切波速度，与结构相接应尽量以结构节点为基准向外伸展。

2.2.3边界条件

本文底部边界即抗震设计基岩面假定为水平竖直方向均为固定；由于本文选取的为水平方向的地震波，远离结构的竖向变形允许忽略不计，因此侧向边界处的水平方向自由，竖直方向约束；顶部边界的水平和竖直方向皆自由。

2.2.4地震波的选取

本文根据高速隧道所处场地地质资料，选取了一条内陆型地震波，地震波加速度时程曲线如图1所示。地震波是垂直于隧道纵向轴线作为剪切波入射的。

图1地震波形

3.地震反应分析

3.1位移分析

图2 地震波作用下地基土的相对位移

图3 地震波作用下结构的相对位移

高速隧道在地震波作用下，地基土与结构的相对位移如图2-3所示。在地震波作用下地基土的相对位移最大值为9.350cm，结构的相对位移最大值为9.120cm，地基土产生的残余变形为2.130cm，结构为2.100cm。由规范计算得出，高速隧道的容许残余变形为7.897cm，地震反应结果显示隧道结构的最大残余位移为2.100cm，远小于容许值，结构变形满足抗震性能要求。

3.2结构损伤分析

在地震波作用下，结构的损伤位置多集中在中壁上下端部，左右侧壁与底板、顶板加腋部位的端部，竖壁上下端部位置。从损伤区域取出一部分损伤较重的单元，列出其最大应变值，做进一步分析，其最大应变值表1所示。

表1. 地震波作用下部分单元的最大应变值(%)

通过对选取的损伤较为严重的应变单元的数值的分析，结果均在限值以下，结构位置属于轻微损伤。

4.结论

通过对高速隧道在地震波作用下的地震响应结果分析，得出该地下结构在该条强地震波作用下的变形和损伤情况满足的抗震性能的要求，只是存在轻微的损伤，不会产生较大的危害，地震结束后，通过采取一定的修补、加固措施，就可以恢复结构的正常使用功能，结构设计满足抗震要求。