行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

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。     

穿断层分段柔性接头隧道纵向地震响应解析解

地震发生伴随的断层错动是穿断层隧道灾变防控的重点和难点，目前比较有效的措施是通过设置柔性接头来适应断层的错动，但是对于柔性接头隧道的分段设计和参数取值缺少理论依据。以穿断层分段柔性接头隧道为研究对象，将分段隧道简化成有限长梁，隧道接头简化为剪切和弯曲弹簧元件，围岩简化为Pasternak双参数地基。为了合理考虑断层场地的不连续性，将断层带及上、下盘的非连续位移场等效为荷载施加在隧道梁上。基于建立的控制方程及边界条件，推导出分段柔性接头隧道在断层错动作用下的纵向地震响应解析解。通过与相同计算条件下的模型试验和数值计算结果对比分析，验证了解析方法的正确性。最后应用解析解对穿断层分段柔性接头隧道设计的关键参数进行敏感性分析，揭示了分段柔性接头布置方式和隧道本体-接头刚度比等因素对隧道结构内力响应的影响规律。结果表明：设置柔性接头可有效降低断层带影响区域内隧道结构纵向的内力响应，且柔性接头数量越多，隧道结构内力响应越小，若将柔性接头分别布置于断层错动面、断层与上/下盘交界面处，可以显著降低隧道结构的内力响应；而通过调整接头刚度来增大隧道本体-接头刚度比可以进一步降低隧道结构的内力响应。研究可为...     

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。     

穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析

 通过数值分析和振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道在地震荷载作用下横向内力分布和纵向动力响应特性。结果表明：围岩条件是影响衬砌地震内力的重要因素,围岩越差,地震作用产生的内力越大,其抗震性能越差;在横断面方向,不同围岩条件下衬砌内力均在共轭45°方向最大,为隧道抗震最不利位置;在纵断面方向,隧道位于围岩与断层破碎带接触面时,衬砌地震内力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,其内力趋于一个稳定值。研究结果可为穿越断层破碎带隧道结构抗震设防提供参考。     

隧道纵向剪切效应的简化弹性地基柱壳理论解析

基于弹性板理论，考虑板壳剪切变形的影响，将隧道作为弹性地基上的柱壳，采用弹性柱壳理论及简化三角函数表达的地基位移函数，经理论推导，提出将盾构管片隧道刚度离散为显式的环向剪切刚度及径向剪切刚度，并从理论上计算分析和探讨板壳弯曲刚度和剪切刚度对隧道横断面结构内力的影响，得出提高隧道切向剪切刚度能够改善纵向结构传力性能，减少横向弯曲变形等重要结论；提出在软弱地层中，隧道横向采用一定刚度的柔性设计，而隧道纵向则采用一定柔度的刚性设计的设计思想，这对于优化现行隧道纵、环向刚度设计具有指导意义，是隧道纵向剪切传递理论的一个重要补充。     

相对刚度对圆形隧道结构地震反应影响规律的研究

隧道结构与周围地层的相对刚度是两者之间相互作用的根本,本文针对圆形隧道,采用动力有限元方法分别讨论了土质条件(剪切波速)、衬砌厚度、衬砌直径等参数对结构地震反应的影响规律。然后引入柔度比的概念来综合考虑上述因素的影响。计算结果显示:柔度比越大,隧道结构的地震内力反应越小,并且对计算结果进行拟合得到衬砌内力与柔度比的函数关系,可以作为隧道结构抗震分析、设计的参考。     

考虑接缝张开与变形影响的管片隧道抗震计算解析方法

基于管片间接触应力及张开变形的非线性及非连续性特性,提出了一种考虑管片间接缝影响的盾构隧道抗震计算解析方法。根据管片隧道在地震地层剪切变形作用下发生斜45°方向的最不利椭圆化变形,基于管片刚体及接头动刚度假设推导此时接头的动力位移响应(转角、位移),进一步通过管片之间(接缝)的接触条件假设,得到了衬砌结构的内力及管片接缝的接触面应力分布以及螺栓内力。与不考虑接头的Sedarat、Hashash方法进行对比后发现,管片衬砌结构的弯矩分布形态发生了较大的变化,且在管片接缝处可能出现局部混凝土压碎,对抗震条件下的接缝防水安全及结构整体稳定性极为不利,因此,考虑管片接缝局部应力和变形的影响,对盾构隧道的抗震设计计算是十分必要的。     

基于ANSYS的某山岭隧道地震响应数值分析

基于ANSYS计算平台,采用粘弹性边界模拟地基无限域的辐射阻尼效应,将地震波转换为人工边界上的等效节点力荷载,以在建成兰铁路某隧道浅埋段为研究对象,建立了三维数值计算模型,研究了二次衬砌结构的地震响应规律。结果表明:地震作用下,衬砌结构的纵向内力峰值与环向内力峰值相比较小,衬砌横断面受力特征更为显著;衬砌结构内力峰值呈对称分布,拱肩和拱脚为抗震的薄弱部位。研究结果可为山岭隧道抗震设计提供参考。     

水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究

 针对断面大、水头高，结构复杂的水下盾构隧道，通过分析其在横向和纵向结构特点，提出了合理的抗震设计方法。在地层条件较均匀的横断面，通过成层重复反射理论，计算出工程场地地层的实际地震响应，采用反应位移法对隧道典型断面进行地震反应分析，再将其结果与静力计算结果叠加后作为抗震设计的依据。纵向则考虑线状结构特点、沿隧道纵向地层的不均匀性、地震行波效应和边界效应等方面的因素，应用三维时程响应法加以计算分析。对2种方法的特点、适用条件和分析流程进行了系统阐述，并将其应用于越长江盾构隧道工程，揭示了该典型水下盾构隧道的动力响应特征及抗震的薄弱部位。     

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。     

海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明：①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力-过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

沉积河谷-衬砌隧道体系对平面P波的散射

沉积河谷对地震动的放大效应已为地震观测和理论研究所证实。现实中有大量隧道穿越河谷情况,而河谷中隧道地震反应规律尚不明确。为此,本文建立沉积河谷-衬砌隧道整体二维平面应变模型,基于一种高精度边界间接积分方程法,对河谷中隧道地震响应及动应力集中进行模拟分析。大量参数计算结果表明:沉积河谷中隧道地震反应更为剧烈,动应力集中更为显著,应力峰值可达到入射波应力幅值的数十倍。随隧道埋深加大,应力频谱振荡加剧且峰值频率发生明显变化。部分频率段,隧道对河谷地表位移同样有较大的扰动。穿越河谷隧道的抗震设计需考虑河谷中地震动放大效应对隧道内力和变形的显著影响。     

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。     

跨倾滑正断层桥梁地震响应数值模拟

为揭示跨倾滑正断层桥梁的地震响应规律，以海文大桥跨断层引桥为研究对象，根据地震震级和断层参数间的关系构建了铺前-清澜断层的物理模型，并基于空间随机场模型生成该断层滑动的空间非均匀分布；采用基于断层破裂物理过程的地震动混合模拟方法生成断层两侧可能发生的最大永久位移地震动；同时，采用OpenSees建立了全桥三维动力有限元模型，分析了永久位移地震动频带、桥梁与断层相对位置、竖向地震动及减隔震方法对该桥地震响应的影响规律。研究结果表明：所采用的地震动模拟方法可以合理考虑断层断裂的复杂性，生成地震动的反应谱在短周期段和设计反应谱吻合良好，在长周期段具有显著的滑冲效应特征，可有效模拟断层两侧的永久位移地震动;在跨断层桥梁地震响应分析方面，断层错位和高频带地震动对跨断层桥梁地震响应均有较大的贡献，跨断层桥梁地震响应分析须采用具有永久位移的宽频带地震动作为地震动输入，仅采用高频带地震动或者采用断层错位进行静力分析均会低估桥墩的地震响应；而位于断层同侧的桥梁主要受高频地震动的影响，跨断层桥梁的地震响应远大于断层同侧桥梁的响应；不考虑竖向地震动会低估跨倾滑断层桥梁纵桥向的地震响应，且跨径越小竖向地震动的影响越大，在进行跨倾滑断层桥梁抗震设计时，应选取较大跨径的简支梁桥来减轻竖向地震动的影响。同时，合理的限位拉索设计可利用桥墩的抗震能力明显改善跨断层桥梁的支座变形，减小因断层错位引起的桥梁损伤。     

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。     

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。