地鐵區(qū)間隧道震害特點震害方法及減震措施

1、地鐵區(qū)間隧道震害特點震害方法及減震措施    摘要:目前,我國地鐵建設(shè)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(yīng)分析的方法,提出存在問題,以期更好地為地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗震設(shè)防提供依據(jù)。     關(guān)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(jié)構(gòu)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

2、的程度較地面建筑為輕,但強(qiáng)震給地下結(jié)構(gòu)帶來的影響不容忽視,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(yán)重破壞,甚至出現(xiàn)地鐵車站完全倒塌的先例,地鐵結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞由于其修復(fù)困難,往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,所以加強(qiáng)研究地下結(jié)構(gòu)的抗震性能,對地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法及減震措施提出響應(yīng)的建議十分必要,本文將針對這些問題進(jìn)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(jié)構(gòu),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(yīng)會呈現(xiàn)出與地面建筑不同的特性,主要表現(xiàn)為:  &#

3、160;   (1)地鐵隧道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(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)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(dāng)結(jié)構(gòu)存在明顯慣性或周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)間的剛度失配時,結(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,相反如果地質(zhì)條件均勻,即便震級較大,結(jié)構(gòu)也

4、較安全。      (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(jié)構(gòu)斷面形狀及剛度發(fā)生明顯變化的部位,如隧洞進(jìn)出口,隧洞轉(zhuǎn)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(yīng)分析方法2.1地震反應(yīng)分析方法      以上震害特點是通過實際的震害分析得出的

5、,在進(jìn)行地鐵抗震設(shè)計時,十分有必要通過數(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(jié)構(gòu)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行地震反應(yīng)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(jié)構(gòu)物的下方存在這一個實際基巖層,或在相當(dāng)深處存在這一個假想的基巖層,則認(rèn)為基巖面以上的介質(zhì)及結(jié)構(gòu)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(yīng)問題可簡化為平面應(yīng)變問題,首先進(jìn)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(jié)點平面等參元對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及周圍土體進(jìn)行離散,如圖1所示;第二種方法用八結(jié)點平面等參元與

6、六結(jié)點單向無限元及四結(jié)點雙向無限元耦合進(jìn)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(dá)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(yīng)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  

7、    C為體系的總體阻尼矩陣,由Rayleigh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(jié)構(gòu)的振動形態(tài)受地震波

8、入射方向的影響較大,以前人們認(rèn)為水平地震力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的主要因素,研究表明豎向地震力對結(jié)構(gòu)的破壞也不容忽視,所以分析中不應(yīng)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(jié)構(gòu)所受地震力與結(jié)構(gòu)自重的比值,無法全面了解結(jié)構(gòu)的動力行為,存在很大局限性,用有限元法能全面分析結(jié)構(gòu)的位移、加速度、應(yīng)力的變化。按(1)式豎向激振時Ug¨       Iy=10,1,0,1,0T,關(guān)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(yīng)用實際記錄,EICentro豎向地震記

9、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(jié)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(yīng)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(yīng)有很大作用3,4。分析地鐵入口、隧道轉(zhuǎn)彎等處的地震特性可采用空間有限元進(jìn)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;    &

10、#160; (2)采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則并對超出屈服點的應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整;      (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(jié)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(yīng)注意以下問題:      (1)采用有限元進(jìn)行分析時,分

11、析范圍應(yīng)不小于結(jié)構(gòu)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)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(jìn)一步探討,一般認(rèn)為要使有限元的分析范圍能夠包含體系塑性反應(yīng)區(qū);      (3)地下與地面結(jié)構(gòu)的交界處、隧道轉(zhuǎn)彎部位及兩洞相交部位,由于受力狀態(tài)復(fù)雜,而這些地方又是抗震的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)注意對這些關(guān)鍵部位進(jìn)行數(shù)值分析;      (4)地鐵結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)受地震波入射方向的影響較

12、大,分析中不應(yīng)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(yīng),如何考慮兩者的共同作用值得進(jìn)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(yīng)分析結(jié)果,應(yīng)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(yuǎn)離斷層、風(fēng)化帶及液化區(qū);      (2)結(jié)構(gòu)方面:一般應(yīng)采用對稱結(jié)構(gòu),避免截面尺寸變化過大,結(jié)構(gòu)中的結(jié)點應(yīng)盡

13、量用彈性結(jié)點,區(qū)間隧道轉(zhuǎn)彎處交角不應(yīng)過大,加強(qiáng)出口處的抗震設(shè)防;      (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(shè)置:沿隧洞縱向隔一定距離設(shè)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(jié)束語      目前地鐵建設(shè)日益發(fā)展

14、,而地下結(jié)構(gòu)的抗震研究又明顯滯后于地面結(jié)構(gòu)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(yīng)分析方法:平面八結(jié)點有限元法、平面八結(jié)點有限元與六結(jié)點無限元及四結(jié)點無限元耦合法、空間20節(jié)點有限元法,相關(guān)分析結(jié)果可參考文獻(xiàn)3,4,并提出了分析中需進(jìn)一步研究的問題,希望能起到拋磚引玉的作用,對地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計有所幫助。 參考文獻(xiàn)1AnXuehuietal.ThecollapsemechanismofasubwaystationduringthegreatHANSHINearthquake.Cementandconcrete,1997(17)2Senzaisamataetal.Astudyof