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城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討
城市輕軌地下隧道結(jié)構(gòu)抗震分析探討 摘要 本文主要針對當(dāng)前方興未艾的城市輕軌交通中的地下隧道,在結(jié)構(gòu)抗震分析方面進(jìn)行了探討,并提出了合理的計算方法,供讀者參考。
關(guān)鍵詞 城市輕軌 隧道 抗震分析
大城市的交通設(shè)施,無論國內(nèi)外都是人們關(guān)注的問題,完全依賴地面交通難以獲得令人滿意的效果,利用地下空間開拓城市輕軌交通,已是國際上大城市解決交通問題的共識。自20 世紀(jì)60 年代中期開始,北京著手籌建地下鐵道,并于60 年代末建成了國內(nèi)第一條地下軌道交通線。爾后,國內(nèi)各大城市也都在籌劃開展地下輕軌交通的興建。
我國屬多地震國家,受地震影響的城市,覆蓋范圍極廣,逾70 % 的省會城市,抗震設(shè)防烈度均在7 度(含) 以上。顯然,在這些城市興建地下輕軌交通時,都會涉及到結(jié)構(gòu)抗震問題,但目前我國相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范中,尚無明確規(guī)定合理的抗震設(shè)計方法。為此,本文針對地下輕軌交通中的隧道結(jié)構(gòu),探討其合理的抗震分析方法,提供給相關(guān)的設(shè)計人員參考。
一、地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)的地震動反應(yīng)
地下輕軌交通的結(jié)構(gòu)型式,可以是圓形、矩形或上頂拱形結(jié)構(gòu)等,通常與采用的施工工法相關(guān), 就其在地震作用下的受力狀態(tài)而言,不論其結(jié)構(gòu)型式,均視作地下隧道線狀結(jié)構(gòu)考慮。由于城市輕軌交通的地下隧道,一般埋深較大,隧道這種線狀結(jié)構(gòu)受到的阻尼作用很大,其結(jié)構(gòu)的自振頻率很高,因此地震動引起的慣性力當(dāng)可忽略不計。歷來對地下隧道的工程抗震驗算, 都將其視作土體的一部分,驗算這種線狀結(jié)構(gòu)在地震行波的作用下, 隧道結(jié)構(gòu)所引發(fā)的應(yīng)力( 應(yīng)變) 是否超過其承受的能力(與常規(guī)荷載效應(yīng)組合后) [ 1 ,2 ] 。通過對歷次強(qiáng)烈地震中地下結(jié)構(gòu)的實際震害反映和現(xiàn)場模擬試驗[ 3 ] ,確認(rèn)將地下結(jié)構(gòu)視作完全順應(yīng)地震行波作用下土體的變位,無疑是比較保守的。因為從整體來看,地下線狀結(jié)構(gòu)與大地波動相比,其結(jié)構(gòu)剛度是微不足道的;但土體畢竟不是剛體,就微觀分析,結(jié)構(gòu)剛度還是有影響的,土體的波動變位還不可能完全傳遞給地下結(jié)構(gòu)。據(jù)此,目前國際上較為通用的抗震驗算模式,乃是將地下線狀結(jié)構(gòu)視作埋設(shè)于土體中的彈性地基梁,作為工程上實用的解析模型[ 2 ,4 ] 。
二、地下隧道結(jié)構(gòu)抗震驗算模型的建立與應(yīng)用
將地下結(jié)構(gòu)視作埋設(shè)于土體中的彈性地基長梁,早在20 世紀(jì)50 年代后期提出并在工程上應(yīng)用。從實用出發(fā),考慮地震動時耗能最大的剪切波的行進(jìn)作用,同時簡化為正弦函數(shù)表達(dá)。根據(jù)這一前提,當(dāng)?shù)叵滤淼涝獾饺我馊肷浣?<) 的剪切波作用時,其影響結(jié)構(gòu)的土體變位可由圖1 表示。
圖1 在剪切波作用下,土體變位矢量圖
圖1 中 uG —剪切波行進(jìn)時, 土體位移的最大幅值, 即場地地面位移的最大幅值; uS —剪切波行進(jìn)時, X 軸線上土體的位移量;
uS —剪切波行進(jìn)時, X′軸線( 即沿隧道走向) 上的土體位移量; L —剪切波的波長; L′—沿隧道走向X′軸線上,剪切波的視波長,即L′= L/ cos <; < —剪切波的入射角, 即剪切波行進(jìn)方向與隧道走向軸線的夾角。隧道結(jié)構(gòu)作為彈性地基梁的計算模型, 如圖2所示。
圖2 彈性地基梁計算模型我國國家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計規(guī)范》GB50032 —2003 中,對地下管道的抗震驗算考慮盡量與國際接軌,就引用了這一計算模型,但僅計入了沿管線走向的縱向變位。此時,按圖2 單元結(jié)構(gòu)上的平衡方程可得下式:
d FE + KL(uS -uP) dx′= 0 (1) 式中FE —單元結(jié)構(gòu)上的受力,即duP FE = EA dx′ E —結(jié)構(gòu)材料的彈性模量; A —結(jié)構(gòu)的橫截面面積; KL —單元結(jié)構(gòu)上沿管線走向的彈性阻抗系數(shù),即KL = kl Uo; kl —沿結(jié)構(gòu)走向的單位面積彈性阻抗系數(shù); Uo —單元結(jié)構(gòu)的外緣表面積;
′ uS —在剪切波作用下, 沿結(jié)構(gòu)走向的土體位移; uP —在剪切波作用下, 結(jié)構(gòu)沿走向( 即縱向) 的位移�！� 的正弦表達(dá)式, 以圖1 設(shè)定的座標(biāo), 并代入uS 式(1) 的通解可得: 當(dāng) x′= 0 和x′= L′2 時,應(yīng)為uP = u′S= 0 , 則可得C1= C2= 0 。由此可得在剪切波作用下的縱向位移為: 1 ′′ uP= (2π) 2 uS = ζLuS (3) EA 1 + KL L 式中 ζL —縱向變位傳遞系數(shù),即 1 = ζL EA 1 +(2π) 2 (4) KL L 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變量應(yīng)為: 2π εp= ζL uGsin 除了以式(7) 提供工程抗震驗算外,文獻(xiàn)[ 2 ] 還提出了要考慮自基巖豎向傳遞至地面的剪切波作用,使隧道結(jié)構(gòu)豎向產(chǎn)生畸變,相當(dāng)于隧道的頂、底間產(chǎn)生相對偏移。這種情況與建設(shè)場地的工程地質(zhì)條件相關(guān),如果基巖埋深很大,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的畸變量甚小,可以忽略其影響;如果基巖埋深很淺,隧道高度較大時,則畸變影響應(yīng)予考慮。
三、各項計算參數(shù)的確定
對地下隧道結(jié)構(gòu)按式(7) 進(jìn)行抗震驗算時,各項計算參數(shù)的合理擬定至關(guān)重要。下面將逐一進(jìn)行探討。 11 地面位移幅值uG 從工程實用考慮, uG 值可按下式計算: KHg T2 g uG = 4π2 (9) 式中 KH —相應(yīng)設(shè)防地震烈度的水平向地震系數(shù); g —重力加速度; Tg —場地的特征周期。式(9) 系按相應(yīng)設(shè)防烈度的地震加速度換算獲得,比之實際地震記錄小得多,在GB50032 中, 對承插接口管道的接口允許位移量取較為保守的數(shù)值與之相對應(yīng),這樣處理旨在方便應(yīng)用。對地下輕軌隧道結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同,尚需慎重對待。對此,文獻(xiàn)[ 5 ] 以強(qiáng)震記錄分析為基礎(chǔ),提出了uG 的建議值,可供參考采用。 21 剪切波長的確定剪切波的波長可按下式計算: L = VsTg (10) 式中 Vs —剪切波的行進(jìn)速度, 應(yīng)由勘察報告提供,但應(yīng)考慮到實測條件與強(qiáng)震時不同,應(yīng)按勘察報告提供實測數(shù)值的2/ 3 采用。
彈性阻抗系數(shù)亦可稱為“地基反力系數(shù)”。此項系數(shù)的確定比較復(fù)雜,不僅與結(jié)構(gòu)外緣的做法(防水、防腐等構(gòu)造) 、場地土質(zhì)相關(guān),還和隧道結(jié)構(gòu)的施工工法(明開、盾構(gòu)、新奧法等) 密切相關(guān)。針對開槽建造的情況,結(jié)構(gòu)外緣接觸的土體均為回填夯實土,通�？扇 值為0106~0107N/ mm3 。如果采用不開槽施工,一般會對結(jié)構(gòu)外緣進(jìn)行灌漿,此時kl 、kt 的數(shù)值將取決于結(jié)構(gòu)外緣土體的抗剪強(qiáng)度,亦即地震動時土體的位移將通過土的抗剪強(qiáng)度傳遞給隧道結(jié)構(gòu)。對此在確定土的抗剪強(qiáng)度時,亦應(yīng)考慮室內(nèi)試驗條件與強(qiáng)震時不同,對室內(nèi)試驗的數(shù)據(jù)應(yīng)乘以小于110 的折減系數(shù)( 例如亦可按2/ 3 取值) 。
關(guān)于KL 、KT 值的確定, 日本《化工設(shè)備抗震準(zhǔn)則》提供了更為簡化的方法,認(rèn)為: KL= KT= 3 Gs (11) 式中 Gs —土的剪切模量。式(11) 限定了K 值的確定僅與場地土質(zhì)有關(guān), 而與結(jié)構(gòu)的體量大小、構(gòu)造型式、施工方法等均無關(guān),無疑過于粗糙。同時應(yīng)該提及,在文獻(xiàn)[5 ]中,對K 值的確定也提供了具體建議,可供設(shè)計參考。顯然, KL 、KT 值的合理確定,對地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震驗算至關(guān)重要,但設(shè)計中應(yīng)結(jié)合安全儲備的考慮(例如安全系數(shù)或作用分項系數(shù)的取值), 綜合推敲確定。
四、地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施
地下隧道結(jié)構(gòu)在地震行波作用下的應(yīng)變量, 由于結(jié)構(gòu)剛度較大,相應(yīng)的變位傳遞系數(shù)可能較小,但仍可能使結(jié)構(gòu)難以承受。在這種情況下,可以設(shè)置變形縫構(gòu)造來順應(yīng)地震動位移。此時可將半個視波內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的總位移量,由變形縫構(gòu)造予以吸收。
半個視波長范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的總位移量,可通過對應(yīng)變量積分獲得:
π Δ(L′2)= 2 (ζ2 + ζTB) (12)
通常變形縫構(gòu)造由帶變形圈的止水橡膠帶、高密度聚乙稀填縫板及內(nèi)表面聚硫密封膏嵌縫、外表面膨脹型橡膠條堵縫組合而成。每個變形縫的變形量可在30mm 以上,但按30mm 設(shè)計為宜。橡膠帶的老化問題,對埋設(shè)在地下的條件,經(jīng)唐山地震后開挖取樣,檢測各項指標(biāo),逾70 年尚保持良好。同時還應(yīng)在變形縫處的底板下設(shè)置墊梁,梁上設(shè)滑動層,以免造成該處突變,導(dǎo)致影響行車安全。當(dāng)需要在半個視波長隧道結(jié)構(gòu)上設(shè)置多個變形縫時,應(yīng)考慮每個變形縫的允許位移量不可能都充分利用,應(yīng)乘以等效系數(shù)0164 予以折減。
五、結(jié)語
本文主要針對當(dāng)前地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)抗震驗算的現(xiàn)況,提出了抗震驗算的合理計算模型。這種計算模式,20 世紀(jì)60 年代末早在美國加州興建地下隧道時應(yīng)用,有別于地面結(jié)構(gòu)的抗震計算方法, 兩者的地震動反應(yīng)是完全不同的,不能混同應(yīng)用。文內(nèi)并對隨后的研究成果及信息,綜合匯入探討, 尤其對各項計算參數(shù)的合理確定,在實際應(yīng)用時尚需多加推敲,連同抗震構(gòu)造措施,一并提供讀者參考,以期對地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計有所裨益。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] 《蘇聯(lián)結(jié)構(gòu)地震荷載計算規(guī)程》,1961
[ 2 ]T. R. Kussel1BART 地下道抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1 Proceedings of the American Socity of Civil
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[ 3 ]中國建筑科學(xué)研究院,清華大學(xué)1 地下管線爆炸振動試驗與分析11975
[4 ] tice for Earthquake Resistant Design of High Pressure Gas Pipelines.K. Toki , Y. Fukumori , M. Sako , T. Tsabakimo . Recommended Prac2 1984
[ 5 ]符圣聰1 用于埋管抗震計算的地面位移和地基反力系數(shù)1《特種結(jié)構(gòu)》1992
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