隧道横断面反应位移法基本原理及其应用

我国大量的隧道工程位于高地震烈度区,隧道作为国家生命线工程的主体结构之一,必须对其抗震计算方法给予高度重视。基于隧道的振动特性,从地下结构与周围地层的整体运动微分方程出发,总结归纳隧道横断面反应位移法的基本原理及计算模型,得到均质半无限地层和非均匀成层地层在地震荷载作用下地层位移的求解方法,并通过反应位移法和时程法的计算和比较分析,对反应位移法的适应性进行探讨,研究结果表明：反应位移法理论清晰,反映地震响应主要由地层相对位移控制的土层或软弱岩层隧道的振动特性,在具备工程场地位移或速度反应谱的条件下,计算较方便快捷,不失为该类隧道的一种较好的抗震计算方法。     

穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应振动台试验研究

 为探讨穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应特性,基于纵向等效刚度模型,开展几何相似比为1∶40的振动台模型试验,研究软硬突变地层加速度以及隧道结构加速度、应变响应频谱特性,并采用数值模拟手段对试验结果进行验证。试验及计算结果显示：软硬突变地层及赋存其中的隧道结构加速度响应频谱曲线吻合较好,均表现出“双卓越频率”现象;输入地震频率接近坚硬地层主频时,软硬突变地层加速度放大倍率随埋深减小不再单调递增;软硬突变地层中结构应变显著增大,最大应变出现在地层软硬交界面软土一侧,隧道纵向应变增大区域分布于软硬地层交界面两侧2.5～3.5倍隧道直径范围内;应变响应从大到小依次为拱顶、拱底、拱腰,地层突变处隧道断面顶底应变差以及两侧拱腰应变差较均匀地层显著增大,软硬突变地层不仅增大了隧道纵向内力,也改变了其纵向整体弯曲方向。研究结果将为进一步揭示盾构隧道纵向地震响应特性及盾构隧道纵向抗、减震设计提供有益参考。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

软土中地铁区间隧道抗震设计研究

在采集和分析地铁震害类型的基础上，考虑了地震荷载作用下区间隧道的受力特点及软土和结构材料的动力特性，对软土地层中的地铁区间隧道的抗震设计方法进行了研究。内容包括：地铁区间隧道断面的地震响应计算，等代地震荷栽的确定原则，以及在2％、10％和63．2％三种概率水准，上海市区典型区间隧道断面的等代地震荷载及其修正系数的确定等。有关成果对地铁区间隧道简化抗震设计方法的建立有参考价值。     

反应加速度法在盾构隧道抗震性能设计中的应用

结合实际工程,运用反应加速度法,分析了盾构隧道在设计地震和罕遇地震下的抗震性能,并通过算例展示了反应加速度法在隧道抗震设计中的运用,指出盾构隧道的内力不受地震工况控制,在设计地震作用下,隧道处于弹性工作状态,在罕遇地震作用下,隧道满足局部进入塑性工作状态的要求。     

软土中地铁区间隧道抗震设计研究

在采集和分析地铁震害类型的基础上 ,考虑了地震荷载作用下区间隧道的受力特点及软土和结构材料的动力特性 ,对软土地层中的地铁区间隧道的抗震设计方法进行了研究。内容包括 :地铁区间隧道断面的地震响应计算 ,等代地震荷载的确定原则 ,以及在 2 %、1 0 %和 63 2 %三种概率水准 ,上海市区典型区间隧道断面的等代地震荷载及其修正系数的确定等。有关成果对地铁区间隧道简化抗震设计方法的建立有参考价值     

城市轨道交通盾构隧道的横向抗震设计

介绍了盾构隧道横向抗震设计中重力作用的计算方法、反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法。为了验证这些方法的适用性,设定某地质条件下的典型圆形盾构隧道为基准模型,使用反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法计算盾构隧道的结构内力、直径变形率。结果表明:反应位移法、反应加速度法和基于等效线性化的时程法,三者计算结果最值的大小、出现位置并不一致,且反应位移法和反应加速度法的计算结果要大于基于等效线性化的时程法的计算结果。     

武汉长江隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,其抗震性能的研究日益受到社会各界的关注.本文重点研究了武汉长江隧道工程盾构段横断面的地震响应规律.首先利用等效线性化方法对各典型地层构造处进行一维场地地震响应分析,以隧道所在土层的最大剪应变水平作为判断衬砌结构受力大小的依据,并选择危险控制断面.然后对该断面建立二维模型进行动力有限元计算,计算模型考虑了各类管片接头的影响及边界处能量的传输,能够有效地模拟土--结构系统的动力相互作用.计算表明在静力和地震共同作用下,隧道横断面的抗震性能满足要求.     

考虑地震非平稳性的隧道纵向抗震可靠度分析

考虑地震运动的非平稳性,将沉埋隧道地震反应分析的数学模型应用于隧道纵向随机地震响应及其抗震动力可靠度分析。从有限元动力分析的基本原理出发,利用脉冲响应函数和傅立叶变换原理,结合随机振动理论,研究了将地震荷载作为非平稳随机过程时隧道纵向随机地震响应及其抗震动力可靠度分析方法,建立了地下结构随机地震响应数字特征及其抗震动力可靠度的计算表达式。以南京长江越江隧道初步设计方案(沉管段)为例,计算了其在非平稳随机过程地震动作用下的动力反应均方根值和纵向抗震动力可靠度,并研究了管段接头的抗震可靠度。     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

水底液化地层大型盾构隧道地震响应分析

 建立南京长江盾构隧道主隧道、横向疏散通道及地层相互作用的三维模型，采用Byrne模型模拟地层的循环液化，对模型分别输入横向和纵向地震波，研究结构一般部位及主隧道–横向疏散通道交叉接口部位的动力力学(应力和位移)响应特征，并分析了横向和纵向地震波对地层孔隙水压及有效应力的不同影响。分析结果表明：横向激振对结构的损害远大于纵向激振，主隧道–疏散通道交叉接口部位在横向激振动力作用下拉应力峰值约3 MPa，超过结构极限抗拉强度，有拉裂破坏的趋势。最后，提出了结构的抗震措施建议，研究结论有利于类似工程抗震设计。     

SH波作用下山岭隧道洞口段结构动力响应研究

 基于弹性波动理论,将山岭隧道洞口段简化为单面边坡模型,考虑波在洞口边坡的反射效应,推导垂直入射SH波作用下隧道轴线上的位移场分布,并将隧道简化为三维薄壁壳结构,以得到在该位移场作用下隧道结构的动力响应。针对上述分析结果开展山岭隧道洞口段振动台模型试验,以验证理论模型的合理性,并综合分析得到如下结论：将隧道结构动力响应看作横截面与纵向响应的叠加,隧道结构横截面发生剪切变形,两侧拱肩与拱脚为抗震的薄弱环节,变形效应沿轴向缓慢增加,此响应为平行隧道结构横截面传播的SH波作用所致;隧道结构纵向发生水平剪切变形,变形效应沿隧道轴向逐渐减弱,洞口处产生较大刚性位移,在施工缝存在的情况下,隧道结构在洞口附近易沿施工缝产生错台现象,此响应为沿轴向传播的SH波所致。此规律表明,隧道结构的纵向抗震设计同样值得关注。     

盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法及应用

在盾构隧道传统抗震分析方法基础上,针对上海一新建盾构越江隧道,提出以完全拟实仿真为特点的大规模盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法,建立包括地基土、盾构隧道以及联络通道等多个对象在内的三维分析模型,整体的单元数和节点数均达到了4×106左右。模型考虑地基土的材料非线性,以及土体–隧道间、管片–管片间的接触非线性因素,最后利用动态显式算法及其关键技术进行基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果反映地基土–盾构隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和变形,并对隧道衬砌结构中的管片应力以及连接螺栓的受力变化进行深入分析。     

小半径平面曲线隧道地震响应分析

基于某实际工程,建立了小半径平面曲线隧道三维分析模型,探讨其在单向水平激振下的地震响应规律。其中考虑了隧道弯曲角度、地震动幅值和类型等因素的影响。通过分析得出了小半径平面曲线隧道的地震响应规律:①响应幅值方面,横向抗震段的响应最大,曲线段其次,纵向抗震段最小;②响应差异方面,曲线部分对隧道加速度影响较小,主要影响隧道的变形;③震动能量方面,随着隧道从横向抗震逐渐过渡到纵向抗震,其震动能量逐渐降低。     

沉管隧道–接头–场地土振动台试验研究

为了解沉管隧道及其接头在地震作用下的动力响应,以中国广州洲头咀沉管隧道工程为背景,在北京工业大学九子振动台台阵系统上开展了1∶60比例尺大型沉管隧道–接头–场地土振动台模型试验。试验中模型箱采用装配式连续体刚性模型箱,其尺寸为7.7 m(长)×3.2 m(宽)×1.2 m(高),试验中输入地震动时程采用El Centro、Taft、天津及广州人工地震动记录,输入方向为水平横向和水平纵向一致地震动激励。设计了用于模拟沉管隧道接头的构件,并利用拉压传感器和激光位移计测得接头处所受轴向力及变形。结果表明:不同段模型结构测得的加速度及其傅立叶幅值谱有差别,且隧道结构地震响应不是随其自身特性振动,而是服从于周围土体的地震响应;不同强度地震动激励下,不同接头的受力情况可以为沉管隧道的抗震设计提供有价值的参考;不同强度地震激励下,不同接头的位移变化趋势基本上遵循J1接头位移最大,J3接头位移次之,J2接头位移最小,由于J2接头位于中间,这样的变化规律使得整个隧道沿纵向变形更加协调;水平纵向和水平横向一致地震激励下,每个接头的正反方向位移变化趋势基本平行,本次试验结果换算到原型结构,隧道接头止水带处于安全范围不会漏水。     

单塔悬索—刚构—连续梁组合桥抗震性能分析

以乌鲁木齐市乌鲁木齐北一路桥为研究对象。根据该桥的结构特点,采用两阶段分析法的思路,建立了桥梁空间有限元分析模型,分析了该桥的动力性能;采用反应谱分析法、时程分析法计算了桥梁结构在设计反应谱、3条典型地震波作用下的地震响应,较为全面地分析了该桥的抗震性能。计算结果表明:该桥整体刚度较大,桥梁振动以顺桥向振动形式为主;2号主墩墩底截面受力最为不利,为全桥抗震设计的控制截面;塔柱在地震作用下塔底面外内力响应、塔顶面外位移响应较大,在设计时要引起足够重视。     

顺层隧道地震响应的波动方法研究

 顺层岩体是隧道工程中常见的地质情况,震害突出,但尚无有效的地震响应分析方法,因而难以深入研究其响应机制和规律。为此,建立一种地震波动输入方法及相应公式,该方法以有限元法与时域波动分析法相结合,采用黏弹性人工边界,基于顺层岩体的横观各向同性本构关系,考虑岩体中地震波的偏振特性和相速度变化特点,适用于地震波斜入射方向与隧道纵断面平行的情况。同时,为验证所提出方法的实用性和可行性,应用其分析某顺层岩体中高速铁路隧道结构的地震响应规律。结果显示：当岩层水平或竖直时,则qP波引起的衬砌内力包络图对称;当岩层倾斜时,则qP波引起的衬砌内力包络图不对称,不对称性的幅度与岩层倾角相关;岩层倾角不同,则弯矩值相差较大;弯矩包络图无论对称与否,环向弯矩极值均位于拱脚处,而纵向弯矩极值却位于拱顶和仰拱处。此外,作为对比分析,又将岩层简化为各向同性介质,采用该方法进行计算,结果发现：P波引起的衬砌内力包络图对称,且内力包络图与将岩层简化为横观各向同性介质时相接近。这进一步验证了提出方法的合理性和可靠性。     

超长沉管隧道纵向地震响应频域分析方法

中国目前还没有专门的沉管隧道抗震规范,且以往的地震响应分析方法考虑的因素不够全面,比如通常忽略隧道惯性的影响、不能考虑复杂地基条件、不能考虑沉管底部非一致地震激励以及不能考虑土体动刚度系数和阻尼系数的外部激励频率相关性等。基于此考虑,在借鉴日本水下隧道抗震设计规范所推荐方法(响应位移法)的基础上,利用Winkler地基梁理论和快速Fourier变换技术,建立了动力Winkler地基梁频域分析方法。最后,分别采用响应位移法和本文所提之分析方法对港珠澳大桥海底沉管隧道工程进行了纵向地震响应计算,对两种计算方法作了讨论和评价,并提出了一些对港珠澳沉管隧道工程抗震设计具有参考价值的结论和建议。