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        基于非線性時程分析法的地鐵盾構(gòu)隧道抗震性能研究

        2016-10-21 07:25:06郭正偉
        鐵道勘察 2016年2期
        關(guān)鍵詞:震區(qū)設(shè)計規(guī)范管片

        郭正偉 沈 捷

        (中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院,河南鄭州 450000)

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        基于非線性時程分析法的地鐵盾構(gòu)隧道抗震性能研究

        郭正偉沈捷

        (中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院,河南鄭州450000)

        采用非線性時程分析方法,通過有限元軟件建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型進行抗震反應(yīng)計算,揭示在三向地震波的作用下盾構(gòu)隧道一系列時程反應(yīng)特征。研究表明:在強震區(qū)地震波作用下,越靠近地表其加速度值越大,設(shè)計中適當(dāng)加大盾構(gòu)隧道的埋深是必要的;管片結(jié)構(gòu)徑向相對位移未出現(xiàn)明顯增長,徑向變形率基本位于規(guī)范允許范圍內(nèi);管片結(jié)構(gòu)縱向相對位移增長明顯,可能超過規(guī)范允許范圍,設(shè)計中管片縱向連接需加強;結(jié)構(gòu)的同一位置可能受到拉壓的循環(huán)作用,這對混凝土結(jié)構(gòu)不利;同時發(fā)現(xiàn)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力最不利位置位于拱頂右45°附近。

        非線性時程分析方法地震波盾構(gòu)隧道地層-結(jié)構(gòu)模型時程反應(yīng)特征相對位移

        1 工程背景

        結(jié)合在建的蘭州市軌道交通2號線一期工程(東方紅廣場至雁北路段)定西路—五里鋪區(qū)間為工程背景,對強震區(qū)盾構(gòu)隧道進行非線性時程法研究,揭示強震區(qū)盾構(gòu)隧道的受力和變形時程特征。

        定西路—五里鋪區(qū)間線路為南北走向,沿瑞德大道敷設(shè),區(qū)間線間距約14.0 m左右,區(qū)間埋深12.1~13.3 m,主要穿越2-10卵石層、4-2-1強風(fēng)化砂巖層。

        采用盾構(gòu)法施工,斷面為圓形,隧道凈空內(nèi)徑為5.5 m,外徑6.2 m,管片厚350 mm,寬1 200 mm,全斷面共分6塊管片,管片之間采用彎螺栓連接,錯縫拼裝。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌,如圖1所示。

        2 工程場區(qū)地質(zhì)條件

        本區(qū)間場地地貌單元屬黃河右岸一級階地,沿線地形平坦。據(jù)勘探揭露,場地地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)人工填土、沖積黃土狀粉土、粉細(xì)砂、卵石及下第三系砂巖等構(gòu)成。選取卵石層較深厚鉆孔的地質(zhì)資料,計算采用的主要土層參數(shù)如表1所示。

        根據(jù)蘭州市區(qū)域地質(zhì)資料及地質(zhì)勘察結(jié)果,擬建場地地層分布均勻、連續(xù),無斷裂分布。

        3 地震動參數(shù)和建筑場地類別

        3.1地震動參數(shù)

        據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(1∶400萬,GB18306—2001)中的有關(guān)規(guī)定,蘭州市地震動峰值加速度值為0.20g,相當(dāng)于地震基本烈度為8度,按中硬場地,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,特征周期分區(qū)為3區(qū)。

        3.2抗震地段、場地土類型及建筑場地類別

        根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50909—2014),擬建區(qū)間沿線場地屬抗震一般地段。根據(jù)場地巖土的性狀、承載力及實測剪切波速值等,場地內(nèi)1-1層雜填土、1-2層素填土、2-1-1層黃土狀土為中軟土,2-1-2層黃土狀土、2-5層粉細(xì)砂及2-10層卵石為中硬土,4-2-1、4-2-2砂巖為軟質(zhì)巖石。

        建筑場地類別Ⅱ類,設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

        圖1 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)管片裝配(單位:mm)

        表1 巖土層數(shù)

        4 工程場地地震安全性評價報告的主要結(jié)論

        根據(jù)《蘭州市軌道交通2號線一期工程場地地震安全性評價報告》(2015年4月),本區(qū)間場地屬黃河Ⅱ級階地中后緣,場地地形較為平坦,相對高差小于1.0 m,場地內(nèi)無滑坡、崩塌、沙土液化等不良地震地質(zhì)作用。

        5 抗震反應(yīng)計算

        5.1抗震設(shè)防類別

        根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50909—2014)3.1.2條,本區(qū)間的抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。

        5.2抗震反應(yīng)計算

        根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50909—2014)3.2.1條、3.2.4條、3.3.1條,城市軌道交通結(jié)構(gòu)的抗震性能要求分成三個性能等級,E3(罕遇)地震作用下,區(qū)間隧道抗震性能要求為II級(地震后可能破壞,經(jīng)修補,短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)其正常使用功能;結(jié)構(gòu)局部進入彈塑性工作階段),設(shè)計計算方法可采用反應(yīng)加速度法或非線性時程分析方法。本工程采用非線性時程分析方法進行抗震反應(yīng)計算。

        6 非線性時程分析法模型

        6.1三維有限元模型

        采用MIDAS/GTS軟件進行時程法計算分析,土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。動力有限元數(shù)值分析中,所關(guān)心振波的高頻波成分決定了網(wǎng)格單元長度,低頻波成分決定了模型邊界范圍大小??紤]水平和豎向地震波的影響,計算模型的側(cè)面人工邊界距地下結(jié)構(gòu)不小于3R,底面人工邊界取地震作用基準(zhǔn)面且距離結(jié)構(gòu)的距離不小于3R,頂面取至實際地表面,模型縱向長度取60 m(R為盾構(gòu)隧道外徑)。

        動力分析所建立邊界條件會因為波的反射作用而產(chǎn)生很大誤差,為了解決有限截取模型邊界上波的反射問題,采用1972年Lysmer和Wass提出的粘性邊界(viscous Boundary),計算相應(yīng)土體X,Y,Z方向上的阻尼比。

        P波

        S波

        λ——體積彈性系數(shù)/(tonf/m2);G——剪切彈性系數(shù)/(tonf/m2);E——彈性模量/MPa;ν——泊松比;A——截面積/m2。

        GTS程序輸入阻尼后會自動計算各單元截面積,所以只需輸入Cp,Cs即可。

        盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)宜采用板殼單元模擬,考慮到盾構(gòu)管片接頭的作用,對管片結(jié)構(gòu)整體剛度進行了折減,相關(guān)資料見參考文獻[8]、[9],混凝土參數(shù)見參考文獻[4],地震輸入可采用波動法。區(qū)間埋深起伏不大,取盾構(gòu)埋深12.0m建立三維模型(如圖2所示)。

        圖2 盾構(gòu)隧道三維有限元模型

        6.2非線性時程法的參數(shù)設(shè)置

        沿地表兩個水平向(X、Y向)對區(qū)間施加地震作用,水平主向/水平次向的比值為1.00∶0.85。考慮到盾構(gòu)區(qū)間隧道縱向長度較大,沿縱向的拉-壓對結(jié)構(gòu)的影響相對較小。本次計算盾構(gòu)斷面橫向設(shè)定為主向,縱向設(shè)定為次向。豎向地震參數(shù)與水平地震動參數(shù)的關(guān)系按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50909—2014)表5.3.1確定,豎向地震動峰值加速度:水平向地震動峰值加速度=0.75∶1.00。

        地震波采用基準(zhǔn)期為50年,超越概率為2%,加速度峰值為地表加速度0.2g,時程采樣間隔為0.02 s。時程分析中采用瑞利阻尼,采用地層結(jié)構(gòu)模型第1、2階自振頻率作為計算參數(shù),區(qū)間結(jié)構(gòu)阻尼比采用鋼筋混凝土常用阻尼比(0.05)。

        采用三組設(shè)計地震動時程,地震波時程曲線如圖3~圖5所示。

        圖3 50年超越概率為2%地震波時程曲線1b5021(單位:g)

        圖4 50年超越概率為2%地震波時程曲線1b5022(單位:g)

        圖5 50年超越概率為2%地震波時程曲線1b5023(單位:g)

        7 非線性時程法結(jié)果分析

        選用的地震波數(shù)量為3條,樣本數(shù)量相對較少,取計算結(jié)果的包絡(luò)值(最不利)進行抗震計算分析,進而得到E3地震下地層與結(jié)構(gòu)的時程特征。

        7.1加速度時程

        分別取計算模型中盾構(gòu)底部節(jié)點及其正上方對應(yīng)的地表節(jié)點為觀測點,得到兩點處加速度時程曲線(如圖6所示)。

        圖6 E3地震下管片底與地表處峰值加速度時程曲線(單位:m/s2)

        由圖6可見,地震波作用下地表位置加速度時程規(guī)律與盾構(gòu)底部相近,但前者數(shù)值約為后者2倍,越靠近地表其加速度值越大,地震作用對管片結(jié)構(gòu)的破壞亦越大。在強震地區(qū),設(shè)計中適當(dāng)加大盾構(gòu)隧道的埋深是必要的,可大大降低地震作用對盾構(gòu)隧道的破壞。

        7.2盾構(gòu)管片相對位移時程

        以中部管片作為研究對象,分別取水平向(兩側(cè)拱腰最遠(yuǎn)點)、豎向(拱頂與拱底最遠(yuǎn)點)和縱向(模型中部同一水平位置)三組節(jié)點作為觀測對象,得到相對位移時程曲線。

        (1)徑向相對位移時程(T1,T3)

        圖7 E3地震下管片相對位移(T1,T3)時程曲線(單位:m)

        由圖7可見,地震波作用下豎向相對位移T3與水平向相對位移T1約于12 s左右達到最大值,且相對位移呈大波動,持續(xù)時間長(約21 s),二者相對位移數(shù)值較為接近。對比而言,豎向相對位移值稍大,最大徑向相對位移ΔDmax=14.83 mm,直徑變形率為2.40‰,位于《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)要求的限值3‰~4‰以內(nèi),說明強震區(qū)盾構(gòu)管片相對位移未出現(xiàn)明顯增長,直徑變形率一般可滿足要求。

        (2)縱向相對位移時程(T2)

        圖8 E3地震下管片縱向相對位移(T2)時程曲線(單位:m)

        由圖8可見,地震波作用下縱向相對位移T2于5 s左右即達到最大值,且縱向相對位移呈大波動,持續(xù)時間長(約21 s),最大徑向相對位移ΔLmax=7.37 mm,可能超過《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)要求的環(huán)縫張開不大于2 mm的限值,說明強震區(qū)盾構(gòu)管片縱向相對位移增長明顯,設(shè)計中管片縱向連接需加強,必要時應(yīng)進行特殊設(shè)計。

        7.3管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

        以中部管片作為研究對象,分別取管片拱頂單元、拱頂45°單元和拱頂-45°單元,拱底單元、拱底45°單元和拱底-45°單元(注:正值代表逆時針方向,負(fù)值代表順時針方向)的彎矩為觀測對象,得到如圖9、圖10所示內(nèi)力時程曲線。

        圖9 E3地震下管片拱頂-45°彎矩時程曲線(單位:kN·m)

        圖10 E3地震下管片拱頂-45°軸力時程曲線(單位:kN)

        由圖9、圖10可見,結(jié)構(gòu)的同一位置處管片內(nèi)力(圖示彎矩與軸力)隨時間而呈“一正一負(fù)”的變化,說明在地震波作用下,同一位置可能受到拉壓的循環(huán)作用,這對混凝土結(jié)構(gòu)不利,強震作用下適度增加結(jié)構(gòu)的配筋很有必要。

        同時,取不同部位內(nèi)力最大值進行統(tǒng)計,如表2所示。

        表2 E3地震下管片結(jié)構(gòu)各部位最大內(nèi)力值統(tǒng)計

        根據(jù)以上地震作用下內(nèi)力極值分布,管片結(jié)構(gòu)拱頂右45°附近(表中-45°處)內(nèi)力為最不利位置,據(jù)此位置的內(nèi)力進行管片結(jié)構(gòu)配筋驗算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,地震作用下構(gòu)件強度驗算時,地震荷載分項系數(shù)取1.30,則抗震設(shè)計值Mq=294.20×1.30=382.46 kN·m,Nq=708.10×1.30=920.53 kN。裂縫寬度按《地鐵設(shè)計規(guī)范》GB50157—2013表11.6.1,一般環(huán)境下盾構(gòu)隧道管片裂縫允許值0.2 mm,配筋12φ22 mm,單側(cè)配筋率ρ=1.09%,滿足規(guī)范要求。

        8 結(jié)論

        采用非線性時程分析方法,通過有限元軟件建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型進行抗震反應(yīng)計算,得出以下結(jié)論:

        (1)強震區(qū)地震波作用下,越靠近地表其加速度值越大,相應(yīng)地地震作用對管片結(jié)構(gòu)的破壞亦越大,在強震地區(qū),適當(dāng)加大盾構(gòu)隧道的埋深是必要的。

        (2)強震區(qū)地震波作用下,管片結(jié)構(gòu)徑向相對位移未出現(xiàn)明顯增長,徑向變形率基本位于規(guī)范允許范圍內(nèi)。

        (3)強震區(qū)地震波作用下,管片結(jié)構(gòu)縱向相對位移增長明顯,可能超過規(guī)范允許范圍,設(shè)計中管片縱向連接需加強,必要時需進行特殊設(shè)計。

        (4)強震區(qū)地震波作用下,結(jié)構(gòu)的同一位置可能受到拉壓的循環(huán)作用,這對混凝土結(jié)構(gòu)不利,在強震作用下適度增加結(jié)構(gòu)的配筋很有必要。

        (5)強震區(qū)地震波作用下,管片結(jié)構(gòu)拱頂右45°附近為內(nèi)力最不利位置,但通過合理配筋可滿足規(guī)范要求。

        采用非線性時程分析方法進行抗震反應(yīng)計算時,針對管片接頭的影響采用了對盾構(gòu)管片剛度整體折減這一簡化的處理方法,未能嚴(yán)格模擬管片接頭的影響。希望本文的分析成果能為強震區(qū)盾構(gòu)隧道的抗震設(shè)計以及相關(guān)地下工程抗震三維非線性時程分析方法的推廣提供借鑒。

        [1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014

        [2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014

        [3]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB18306—2001中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001

        [4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011

        [5]甘肅省地震工程研究院.蘭州市軌道交通2號線一期工程場地地震安全性評價報告[R].蘭州:甘肅省地震工程研究院,2015

        [6]甘肅土木工程科學(xué)研究院.蘭州市城市軌道交通2號線一期工程2-KC-3標(biāo)段初步勘察階段定西路-五里鋪區(qū)間巖土工程勘察報告[R].蘭州:甘肅土木工程科學(xué)研究院,2015

        [7]鮑鵬,盛桂琳.地鐵車站抗震性能研究[J].河南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,39(4):428-431

        [8]李圍,孫繼東,李成.盾構(gòu)隧道管片襯砌受力分析力學(xué)模式探討[J].隧道建設(shè),2005,25(增):17-20

        [9]徐亞軍.獅子洋盾構(gòu)隧道基于性能的抗震分析[D].成都:西南交通大學(xué),2014

        [10]田雪娟.地鐵車站抗震分析[D].北京:北京交通大學(xué),2010

        [11]林志,朱合華,等.盾構(gòu)區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗震計算[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2004,32(5):607-611

        [12]施仲衡,張彌,等.地鐵鐵道設(shè)計與施工[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2006

        Study on Seismic Behavior of Metro Shield Tunnel Based on Nonlinear Time History Analysis

        GUO ZhengweiSHENG Jie

        2016-02-01

        郭正偉(1984—),男,2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)隧道工程專業(yè),工程師。

        1672-7479(2016)02-0028-05

        U452.2+8

        A

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