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)間地鐵區(qū)間隧道隧道震害特點、震害分析方法及減震措施的探討震害特點、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

2、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

3、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

4、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)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要通過數(shù)值分析了

5、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

6、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[kij]e=[B]T[Dep][B]t△式中t為單元厚度△為單元面積[B]為應變矩陣。[Dep]為

7、彈塑性矩陣體系的單元質(zhì)量矩陣采用一致質(zhì)量矩陣:[mij]e=∫V[N]Tρ[N]dV[C]為體系的總體阻尼矩陣由Rayleigh線性組合法確定:[C]=α[M]β[K]α、β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=[0101…01]T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

8、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)用無限元雖可以模擬邊界條件但其分析范圍如何

9、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兩者的共同作用值得進一步探討。3減震

10、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(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

11、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[34]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