地鐵區(qū)間隧道震害特點(diǎn)、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(diǎn)、震害分析方法及減震措施的探討震害特點(diǎn)、震害分析方法及減震措施的探討摘要:目前我國(guó)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(diǎn)及減震措施并簡(jiǎn)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(wèn)題以期更好地為地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)重要的人防工程雖然地下工程結(jié)構(gòu)有周?chē)馏w對(duì)變形位移的約束作用使其

2、在受震時(shí)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(qiáng)震給地下結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響不容忽視這一點(diǎn)已被1995年日本阪神大地震所證實(shí)日本這次地震使得地鐵區(qū)間隧道及地鐵車(chē)站受到嚴(yán)重破壞甚至出現(xiàn)地鐵車(chē)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(duì)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(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行初步探討。1地鐵區(qū)間隧道震害特點(diǎn)地鐵區(qū)間隧道屬于線性結(jié)構(gòu)在地震荷載

3、的作用下由于周?chē)橘|(zhì)的存在其動(dòng)態(tài)反應(yīng)會(huì)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(dòng)變形受周?chē)橘|(zhì)的約束作用明顯受震害程度較輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)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?chē)橘|(zhì)一起產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)當(dāng)結(jié)構(gòu)存在明顯慣性或周?chē)橘|(zhì)與結(jié)構(gòu)間的剛度失配時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(guò)渡帶該地帶地層間的相對(duì)位移較大直

4、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(jí)較大結(jié)構(gòu)也較安全。(4)地鐵區(qū)間隧道如果穿過(guò)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(diǎn)是通過(guò)實(shí)際的震害分析得出的在進(jìn)行地鐵抗震設(shè)計(jì)時(shí)十分有必要通過(guò)數(shù)值分析了

5、解其具體的動(dòng)力行為如何對(duì)地鐵區(qū)間隧道及其周?chē)馏w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(gè)問(wèn)題。通過(guò)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(gè)實(shí)際基巖層或在相當(dāng)深處存在這一個(gè)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(duì)于基巖層面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)整個(gè)體系由于基巖面的運(yùn)動(dòng)而引起震動(dòng)。由于地鐵區(qū)間隧道沿縱向較長(zhǎng)分析其動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)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(jì)算網(wǎng)格一種是使用

6、八結(jié)點(diǎn)平面等參元對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)及周?chē)馏w進(jìn)行離散如圖1所示第二種方法用八結(jié)點(diǎn)平面等參元與六結(jié)點(diǎn)單向無(wú)限元及四結(jié)點(diǎn)雙向無(wú)限元耦合進(jìn)行分析計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示左、右、下邊界無(wú)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(yùn)動(dòng)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?jiǎng)偠染仃嚍閇kij]e=[B]T[Dep][B]t△式中t為單元厚度△為單元面積[B]為應(yīng)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(dòng)頻率下測(cè)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(jì)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(dòng)形態(tài)受地震

8、波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(duì)結(jié)構(gòu)的破壞也不容忽視所以分析中不應(yīng)單獨(dú)考慮一個(gè)方向的地震力現(xiàn)在對(duì)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2.2分析中值得注意的問(wèn)題無(wú)論用平面分析方法還是空間分析法均應(yīng)注意以下問(wèn)題:(1)采用有限元進(jìn)行分析時(shí)分析范圍應(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(wú)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(wú)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(duì)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(dòng)形態(tài)受地震波入射方向的影響較大分析中不應(yīng)單獨(dú)考慮一個(gè)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(dòng)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

10、措施根據(jù)地鐵區(qū)間隧道震害特點(diǎn)及動(dòng)態(tài)反應(yīng)分析結(jié)果應(yīng)從以下幾個(gè)方面采取措施以減輕震害:(1)地質(zhì)方面:地鐵選線時(shí)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(duì)稱結(jié)構(gòu)避免截面尺寸變化過(guò)大結(jié)構(gòu)中的結(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量用彈性結(jié)點(diǎn)區(qū)間隧道轉(zhuǎn)彎處交角不應(yīng)過(guò)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

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(shí)回填土的性質(zhì)與地基土類(lèi)型相似。4結(jié)束語(yǔ)目前地鐵建設(shè)日益發(fā)展而地下結(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(diǎn)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(diǎn)有限元法、平面八結(jié)點(diǎn)有限元與六結(jié)點(diǎn)無(wú)限元及四結(jié)點(diǎn)無(wú)限元耦合法、空間20節(jié)點(diǎn)有限元法相關(guān)分析結(jié)果可參考文獻(xiàn)[34]并提出了分析中需進(jìn)一步研究的問(wèn)題希望能起到拋磚引玉的作用對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)