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深埋公路隧道在雙向地震動(dòng)作用下的最大動(dòng)力反應(yīng)分析①

2012-09-06 10:37梁慶國(guó)安亞芳歐爾峰
地震工程學(xué)報(bào) 2012年4期
關(guān)鍵詞:單向軸力拱頂

孫 文,梁慶國(guó),安亞芳,歐爾峰

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隧道結(jié)構(gòu)的震動(dòng)特性與地面結(jié)構(gòu)有很大不同。早期認(rèn)為隧道因其圍巖具有足夠的剛度從而保證隧道在地震中不會(huì)受到太大的影響,隧道結(jié)構(gòu)的抗震能力與地面結(jié)構(gòu)相比具有天然的優(yōu)勢(shì),故對(duì)地面結(jié)構(gòu)的抗震措施研究較多[1]。然而,近年來(lái)的幾次地震中隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的嚴(yán)重破壞對(duì)以上觀點(diǎn)提出了新的挑戰(zhàn),如1995年阪神地震造成災(zāi)區(qū)內(nèi)10%的山嶺隧道受到嚴(yán)重破壞;1999年臺(tái)灣集集地震后,臺(tái)灣中部距發(fā)震斷層25km范圍內(nèi)的44座受損隧道中嚴(yán)重受損者達(dá)25%,中等受損者25%;2008年汶川地震中附近地區(qū)的大部分隧道也出現(xiàn)了嚴(yán)重的損壞[2-3]。

目前隧道與地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法主要有原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等幾類。有很多種數(shù)值模擬的方法和相應(yīng)的軟件,如有限元方法的ANSYS[4]、有 限 差 分 法 的 FLAC3D[5]和 離 散 元 的UDEC等[6],其中尤以有限元方法的使用最為廣泛,已成功應(yīng)用于多個(gè)隧道與地下結(jié)構(gòu)的抗震分析。

通常在隧道的有限元數(shù)值分析中多僅考慮單一方向的地震波施加[7],然而很多情況下地震動(dòng)方向與隧道是斜交的,此時(shí)隧道可能由此而發(fā)生多個(gè)方向的震動(dòng)。所以,本文采用MIDAS/GTS軟件分別對(duì)模型施加單向和雙向地震作用,通過(guò)對(duì)比在自重作用、單向和雙向地震作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn),得出在更接近真實(shí)地震情況下的隧道抗震設(shè)計(jì)的建議,為工程實(shí)踐應(yīng)用提供一定的參考。

1 工程概況

武罐高速是蘭州至海口國(guó)家高速公路的重要組成部分,位于甘肅省與四川省交界的山嶺地區(qū)。本文選取該段線路的特長(zhǎng)隧道之一——小石村隧道進(jìn)行數(shù)值分析。小石村隧道隧址區(qū)位于西秦嶺山地中低山地貌的峽谷地帶。隧道左線全長(zhǎng)3 424m,隧道最大埋深約224.8m;右線全長(zhǎng)3 367m,隧道最大埋深約220m。研究段為Ⅴ級(jí)圍巖,按新奧法施工;采用復(fù)合式襯砌,二次模筑襯砌拱部、邊墻采用C25防水混凝土,仰拱采用C25普通混凝土。

2 數(shù)值模型

2.1 計(jì)算軟件

采用 MIDAS/GTS(2.60版本)模塊進(jìn)行隧道地震動(dòng)力響應(yīng)分析,故以下有關(guān)理論方法及參數(shù)選取等參照MIDAS/GTS的軟件功能來(lái)論述。

2.2 單元類型及有限元模型

模型采取的計(jì)算范圍:X方向120m、Y方向15 m、Z方向264m。隧道跨度10.25m,凈空高度5 m,初襯厚度0.35m,二次襯砌厚度0.5m,洞間距39m,如圖1所示。其中水平橫向地震動(dòng)沿X軸方向(垂直于隧道軸向)輸入,水平縱向地震動(dòng)沿Y軸方向(隧道軸向)輸入,垂直向地震動(dòng)沿Z軸方向(重力方向)輸入。為了提取軸力、彎矩、剪力數(shù)據(jù),模型中二次襯砌采用板單元模擬。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational model.

根據(jù)研究需要,對(duì)應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜且重要的襯砌部位及其周圍圍巖依據(jù)襯砌形狀特點(diǎn)采用均勻密集的網(wǎng)格劃分,由襯砌向水平兩側(cè)和向深度方向隨距離的增加,均勻劃分的網(wǎng)格可逐漸放大。網(wǎng)格劃分采用8節(jié)點(diǎn)單元,節(jié)點(diǎn)總數(shù)39 003個(gè),單元總數(shù)207 943個(gè)。

2.3 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

對(duì)圍巖和初期支護(hù)等實(shí)體單元,采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則及彈塑性增量型本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)資料和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)[8],確定襯砌和Ⅴ級(jí)圍巖的靜力學(xué)參數(shù),其中圍巖參數(shù)取規(guī)范給出范圍的中間值。在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析時(shí),由于應(yīng)變率效應(yīng),動(dòng)力學(xué)參數(shù)將在靜力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上有所增大,故對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算參數(shù)依照王思敬等擬合出的動(dòng)彈性模量(Ed)和靜彈性模量(Es)的經(jīng)驗(yàn)公式Es=0.026E1.7d確定[9]。動(dòng)泊松比則近似按0.8倍的靜泊松比確定[10]。其余參數(shù)則保持不變。計(jì)算出的經(jīng)過(guò)修正以后的圍巖和襯砌的力學(xué)參數(shù)如表1。

2.4 模型地震波選取及振型組合方式

在地震反應(yīng)分析中,常使用離散的載荷列表,因此在施加之前有必要進(jìn)行濾波和基線校正,即通過(guò)在原始加速度時(shí)程上增加一個(gè)低頻率的波形(多項(xiàng)式或周期函數(shù)),使最終的速度和位移均為0。本研究中的地震動(dòng)加速度時(shí)程由中國(guó)地震局蘭州地震研究所提供,其超越概率為50年10%。經(jīng)基線校正的小石村隧道的地震加速度時(shí)程曲線如圖2所示,其中加速度峰值為-251.94cm/s2,出現(xiàn)在5.560 s,震動(dòng)主要集中在5~15s之間。

表1 靜力與經(jīng)修正后的動(dòng)力學(xué)計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

圖2 50年10%超越概率的加速度時(shí)程曲線Fig.2 Acceleration time curve with 10%exceedance probability in 50years.

垂直向地震動(dòng)取相應(yīng)水平向地震動(dòng)峰值的2/3[11],其余水平橫向 (X向)輸入 和縱向 輸入 (Y向)時(shí),直接取經(jīng)過(guò)基線校正的地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線。雙向地震波組合方式:XZ、XY、YZ。

3 計(jì)算方法

3.1 振型分析

首先對(duì)模型進(jìn)行振型分析,求取有限元體系的特征周期,以計(jì)算其阻尼參數(shù)。在 MIDAS/GTS中,進(jìn)行特征值分析時(shí)采用彈性邊界條件,一般用曲面彈簧來(lái)定義,彈簧系數(shù)用地基反力系數(shù)計(jì)算,方法如下:

垂直地基反力系數(shù)

水平地基反力系數(shù)

根據(jù)上述方法求得的最大周期分別為1.140s和0.516s,依次作為求取瑞利阻尼參數(shù)的輸入值,繼而進(jìn)行數(shù)值模型的時(shí)程分析[12]。

3.2 邊界條件

動(dòng)力分析時(shí),適應(yīng)于一般靜力學(xué)分析的邊界條件會(huì)由于波的反射作用而產(chǎn)生較大誤差,故采用1972年Lysmer和Wass提出的粘性邊界(Viscous Boundary)。在MIDAS/GTS有限元分析軟件中通過(guò)曲面阻尼彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了定義粘性邊界需要計(jì)算相應(yīng)的巖土體在X,Y,Z方向上的阻尼,單位面積上的阻尼按式(3)和(4)計(jì)算:法向阻尼常數(shù)

切向阻尼常數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果和分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

動(dòng)力有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。其中,位移、速度、加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)22個(gè),軸力、彎矩、剪力監(jiān)測(cè)點(diǎn)16個(gè)。

由于數(shù)值模型的結(jié)果在縱向(Y方向)變化不大,且根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究,在地震中隧道的二次襯砌往往會(huì)整體垮塌,為抗震的主體部分[13],在地震動(dòng)過(guò)程中的最大反應(yīng)一般是動(dòng)力分析和抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn),故以下只給出部分關(guān)于隧道二次襯砌最外側(cè)截面最大動(dòng)力反應(yīng)的結(jié)果。

圖3 二襯監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of observation points on the lining.

4.2 雙向地震動(dòng)作用與單向地震動(dòng)作用

首先對(duì)單向地震動(dòng)作用下的隧道模型進(jìn)行了計(jì)算,對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值進(jìn)行了分析,得出了隧道在受單向地震動(dòng)作用時(shí)易發(fā)生破壞的位置,然后輸入雙向地震動(dòng),對(duì)比單向地震動(dòng)作用與雙向地震動(dòng)作用時(shí)隧道的動(dòng)力響應(yīng)。在單向地震動(dòng)的工況分為三種,即地震動(dòng)分別從X向、Y向和Z向輸入,所用地震動(dòng)波形與雙向地震動(dòng)的波形相同。通過(guò)計(jì)算,得知模型在地震動(dòng)輸入為Y向時(shí)各項(xiàng)數(shù)值最大,原因是水平向地震動(dòng)保留了地震的大部分能量。一般的隧道動(dòng)力分析都采取水平向地震動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,所以在后面單、雙向地震動(dòng)結(jié)果對(duì)比中以Y向地震動(dòng)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。單向地震動(dòng)作用與雙向地震動(dòng)作用類似,易破壞位置都集中在拱頂,拱腳部位。相對(duì)于單向地震動(dòng)作用,雙向地震動(dòng)作用的峰值均大于單向。單向和雙向地震動(dòng)各有三種方向組合,選取單、雙向地震動(dòng)作用中產(chǎn)生最大位移的組合(Y、YZ),分別繪制單、雙向地震動(dòng)作用下拱頂處最大位移時(shí)程曲線(圖4)。

圖4 單向作用與雙向作用最大位移對(duì)比Fig.4 Comparison of maximum displacements under unidirectional and bidirectional motions.

兩種情況的位移時(shí)程走勢(shì)較為相似,但雙向地震動(dòng)作用的位移幅度明顯大于單向地震動(dòng)。兩種工況拱頂最大位移出現(xiàn)在9.200s附近,而地震加速度時(shí)程曲線的最大值出現(xiàn)在5.560s,體現(xiàn)出了位移在地震作用下的滯后性。

4.3 雙向地震動(dòng)作用位移、速度、加速度

當(dāng)?shù)卣饎?dòng)輸入方向?yàn)閅Z組合時(shí),二次襯砌產(chǎn)生的位移值最大,位移云圖如圖5所示。

從云圖中看出結(jié)構(gòu)各部位位移差值不大。通過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生位移最大值的組合為YZ組合,其值為350.5mm,位于右拱肩;產(chǎn)生速度最大值的組合為XZ組合與YZ組合,其值為25.7cm/s,位于左拱腰;產(chǎn)生加速度最大值的組合為YZ組合,其值為2.5m/s2,位于拱頂。此外,已知在位移值中各組合中最大值出現(xiàn)在YZ組合,計(jì)算得XZ、XY組合最大值分別是YZ組合的98%和67%;速度最大值中各組合中最大值出現(xiàn)在為XZ、YZ組合,計(jì)算得XY組合最大值是XZ、YZ組合的87%;加速度最大值中各組合中最大值出現(xiàn)在XZ、YZ組合,計(jì)算得XY組合最大值是XZ、YZ組合的92%。由最大值的出現(xiàn)位置可發(fā)現(xiàn),拱頂,拱腰處是地震動(dòng)作用下的易破壞位置,在隧道施工中應(yīng)注意這些位置的抗震強(qiáng)化。

在單向地震動(dòng)作用中,計(jì)算得水平向地震動(dòng)(Y向)時(shí)位移、速度、加速度峰值分別為3.34mm,2.99cm/s,1.18m/s2。雙向地震動(dòng)作用位移、速度、加速度最大值與單向地震動(dòng)作用對(duì)比如表2所示。

圖5 YZ組合地震波作用二襯Z向位移最大值云圖Fig.5 Maximum displacement nephogram in Zdirection of second liner under YZcombine motions.

由表2可知,雙向地震動(dòng)組合為XY時(shí),隧道二次襯砌的各項(xiàng)峰值與單向地震動(dòng)的峰值大小十分接近,可見Z向地震動(dòng)是使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的主要因素。

4.4 雙向地震動(dòng)作用軸力、彎矩、剪力結(jié)果

對(duì)比分析表明,軸力出現(xiàn)最大值的組合為YZ組合,其值為1 220kN,XY組合略?。粡澗爻霈F(xiàn)最大值的組合為YZ組合,其值為71.77kN·m,XY組合略?。患袅Τ霈F(xiàn)最大值的組合為XY組合,其值為60.26kN,YZ組合略小。隧道二襯右拱腳處彎矩(YZ)、左拱腳剪力(XY)時(shí)程曲線如圖6。

圖6(a)中,彎矩最大值為71.77kN·m,出現(xiàn)在6.000s,地震加速的最大值出現(xiàn)在5.560s,可見結(jié)構(gòu)彎矩對(duì)地震作用的響應(yīng)較為及時(shí)。圖6(b)中,剪力的最大值為60.26kN,出現(xiàn)在11.040s,但在5.560s附近剪力值明顯較大,和地震動(dòng)的同步作用較為明顯。

圖6 二襯左右拱腳彎矩時(shí)程曲線(YZ)Fig.6 Moment time curves at the right arch and left arch springing of lining(YZ).

此外在軸力值中,各組合中最大值出現(xiàn)在YZ組合,計(jì)算得XZ、XY組合最大值分別是YZ組合的21%、89%;彎矩值中各組合中最大值出現(xiàn)在YZ組合,計(jì)算得XZ、XY組合最大值分別是YZ組合的25%、96%;剪力值中各組合中最大值出現(xiàn)在XY組合,計(jì)算得XZ、YZ組合最大值分別是XY組合的42%、91%。

由峰值出現(xiàn)的位置發(fā)現(xiàn),拱腳,及拱頂處是地震動(dòng)中的易破壞位置。特別軸力和剪力最大值多出現(xiàn)在拱腳處,在拱腳處應(yīng)注意軸向受拉破壞和剪切破壞;剪力峰值還在拱頂出現(xiàn),因此拱頂?shù)募羟衅茐囊膊蝗莺鲆暋?/p>

單向地震動(dòng)作用中,水平向(Y向)地震動(dòng)作用下軸力、彎矩、剪力的最大值分別為1 110kN,66.68kN·m,51.41kN。雙向地震動(dòng)作用軸力、彎矩、剪力最大值與單向地震動(dòng)作用對(duì)比如表3所示。

表3 雙向地震動(dòng)與單向地震動(dòng)最大軸力、彎矩、剪力對(duì)比

由表3可知,雙向地震動(dòng)組合為XZ時(shí),其產(chǎn)生的峰值偏小,可見隧道縱向(Y向)的地震力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)軸力、彎矩、剪力的影響較小。

不論是位移、速度、加速度,還是軸力、彎矩、剪力的峰值多發(fā)生在拱腳,拱頂部位,與已有的研究結(jié)果類似[14]。

4.5 自重作用與地震作用對(duì)比

一般認(rèn)為,地震對(duì)深埋隧道的影響較小,因此計(jì)算了隧道在自重作用下的響應(yīng)后,將自重作用,單向地震作用,雙向地震作用下的隧道結(jié)構(gòu)的位移和抗壓安全系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,安全系數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)[8]進(jìn)行計(jì)算。

以拱頂為例,自重作用、單向地震作用、雙向地震作用豎向(Z向)最大位移分別為4.6cm、22.9 cm、35.0cm,單向、雙向地震作用分別是自重作用位移的5倍和7.6倍,明顯大于自重作用的位移值。

圖7 抗壓安全系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of the compression safety factors.

同時(shí)對(duì)各工況,使用軸力、彎矩?cái)?shù)據(jù)對(duì)隧道二襯各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的抗壓安全系數(shù)K進(jìn)行了計(jì)算,如圖7所示。柱狀圖表示安全系數(shù),R1=K(單向)/K(自重);R2=K(雙向)/K(自重),從位移和安全系數(shù)K兩個(gè)方面的對(duì)比結(jié)果,都說(shuō)明地震作用對(duì)深埋隧道的影響是不可忽略的,應(yīng)該注意地震作用對(duì)深埋隧道的影響,特別是考慮雙向地震動(dòng)的效應(yīng)。

5 討論與結(jié)論

(1)軸力峰值較一般論文偏?。?5],分析原因系一般研究普遍采取的是50年超越概率2%的地震波,其強(qiáng)度大于本文中采取的50年超越概率10%的地震波。另外本文采用的動(dòng)彈性模量和動(dòng)泊松比比靜力參數(shù)有所提高,相當(dāng)于使圍巖性質(zhì)變好,級(jí)別提高,故結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有所減小。

(2)峰值多出現(xiàn)在拱腳和拱頂處,可見隧道結(jié)構(gòu)的拱腳和拱頂處在地震中受到的影響相對(duì)于其他部位更大,說(shuō)明隧道襯砌的連接部位特別是拱腳是隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)以上部位做加固處理,如配置一定數(shù)量的構(gòu)造鋼筋,增加柔度等。

(3)各雙向地震動(dòng)作用下,YZ方向時(shí)隧道結(jié)構(gòu)受力最大,可見隧道在受到縱向與豎向組合的地震力作用時(shí),即可認(rèn)為地震動(dòng)方向與隧道走向平行或者接近時(shí)會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生較大影響。Z向(豎向)地震動(dòng)作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響較大。

(4)在隧道的設(shè)計(jì)中,為了更加接近實(shí)際,保證隧道的安全性能,應(yīng)在單項(xiàng)地震動(dòng)的基礎(chǔ)上,考慮雙向地震動(dòng)作用的效應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)隧道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

(5)在地震作用下,特別是強(qiáng)震作用,深埋隧道的抗震問(wèn)題是不可忽略的。

[1] 劉瑋,吳志堅(jiān),馬宏旺,等.汶川8.0級(jí)地震甘肅隴南地區(qū)建筑震害調(diào)查[J].西北地震學(xué)報(bào),2010,32(2):180-185.

[2] 安永林,彭立敏,黃娟.地震時(shí)隧道襯砌受力敏感性的簡(jiǎn)化理論分析[J].西北地震學(xué)報(bào),2008,30(3):261-265.

[3] 陳正勛,王泰典,黃燦輝.山嶺隧道受震損害類型與原因之案例研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(1):45-57.

[4] 程選生,田瑞瑞,王俊嶺,等.大跨度無(wú)襯砌蛋形黃土隧道圍巖結(jié)構(gòu)的靜力和地震動(dòng)穩(wěn)定性分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(增刊):582-587.

[5] 鐘志輝,劉祚秋,楊光華,等.基于 Midas/GTS的FLAC3D邊坡建模技術(shù)及工程應(yīng)用[J].西北地震學(xué)報(bào),2011,33(增刊):261-265.

[6] 張國(guó)華.大斷面隧道爆破開挖圍巖損傷范圍試驗(yàn)研究及數(shù)值計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(8):1610-1619.

[7] 何偉,陳建云,溫瑞志.豎向地震動(dòng)對(duì)軟土地鐵隧道地震響應(yīng)影響分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2010,42(5):271-276.

[8] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

[9] 王思敬,吳志勇,董萬(wàn)里,等.水電工程巖體的彈性波測(cè)試[C]∥中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所.巖體工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題(三)[G].北京:科學(xué)出版社,1980:229-253.

[10] 戴?。畮r石動(dòng)力學(xué)特性與爆破理論[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:147-149.

[11] 胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京:地震出版社,1988:155.

[12] 潘昌實(shí).隧道力學(xué)數(shù)值方法[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1995:260-269.

[13] 高波,王崢崢,袁松,等.汶川地震公路隧道震害啟示[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,44(3):336-341.

[14] 高峰,任俠.黃土窖洞地震反應(yīng)分析[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2001,20(3):12-18.

[15] 皇民,高波,魏來(lái).高烈度區(qū)隧道洞口地段響應(yīng)研究[J].地震研究,2008,31(2):180-185.

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