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        基于ANSYS的某山嶺隧道地震響應(yīng)數(shù)值分析

        2017-05-18 01:09:25鐘昌桂
        四川建筑 2017年2期

        鐘昌桂

        (中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

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        基于ANSYS的某山嶺隧道地震響應(yīng)數(shù)值分析

        鐘昌桂

        (中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

        基于ANSYS計(jì)算平臺,采用粘彈性邊界模擬地基無限域的輻射阻尼效應(yīng),將地震波轉(zhuǎn)換為人工邊界上的等效節(jié)點(diǎn)力荷載,以在建成蘭鐵路某隧道淺埋段為研究對象,建立了三維數(shù)值計(jì)算模型,研究了二次襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明:地震作用下,襯砌結(jié)構(gòu)的縱向內(nèi)力峰值與環(huán)向內(nèi)力峰值相比較小,襯砌橫斷面受力特征更為顯著;襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值呈對稱分布,拱肩和拱腳為抗震的薄弱部位。研究結(jié)果可為山嶺隧道抗震設(shè)計(jì)提供參考。

        山嶺隧道;粘彈性邊界;地震響應(yīng);數(shù)值分析

        由于圍巖對隧道結(jié)構(gòu)具有約束作用,通常認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)比地面結(jié)構(gòu)的抗震性能更為優(yōu)越[1]。然而在歷次大地震中,如日本阪神地震(1995年)、臺灣集集地震(1999年)和汶川地震[2](2008年),隧道結(jié)構(gòu)均受到不同程度的破壞,這種觀點(diǎn)逐漸被證明是不正確的。山嶺隧道作為公路、鐵路的生命線工程,地震中一旦遭受破壞,搶修難度大,嚴(yán)重影響震后救援工作的開展,造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。因此,山嶺隧道的抗震性能近年來逐漸成為地震工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

        鑒于巖土介質(zhì)及地震作用的復(fù)雜性,模型試驗(yàn)周期長、費(fèi)用昂貴、存在應(yīng)力失真等缺點(diǎn),解析方法對實(shí)際問題簡化過多,數(shù)值方法逐漸成為山嶺隧道抗震研究的主要手段[3]。隧道-圍巖系統(tǒng)的地震響應(yīng)本質(zhì)上是開放系統(tǒng)的波動(dòng)問題[4],在構(gòu)建數(shù)值模型時(shí),需考慮地基無限域的輻射阻尼效應(yīng)(即人工邊界)及地震動(dòng)輸入兩方面問題。本文基于ANSYS計(jì)算平臺,以在建成蘭鐵路某山嶺隧道為研究對象,采用粘彈性邊界[5]、[6]模擬地基無限域的輻射阻尼,將地震動(dòng)轉(zhuǎn)換為邊界上的等效節(jié)點(diǎn)力,進(jìn)行隧道三維地震響應(yīng)數(shù)值計(jì)算,研究了襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律。

        1 計(jì)算模型及參數(shù)

        成(都)蘭(州)鐵路經(jīng)過四川西北部和甘肅南部的龍門山、岷江、秦嶺三大斷裂帶,工程地質(zhì)條件具有“高地殼應(yīng)力、高地震烈度和高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)”的“三高”特征,以及“地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著”的“四極”特點(diǎn)。全線共有隧道32座,全部位于0.15g~0.20g的高烈度地震區(qū)。

        本文選取某隧道洞口淺埋段為研究對象,隧址區(qū)位于龍門山斷裂帶和松潘地震帶,余震時(shí)有發(fā)生,根據(jù)工程場地地震安全性評價(jià),設(shè)計(jì)峰值加速度為0.2g。圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化的炭質(zhì)千枚巖,巖質(zhì)軟弱破碎,屬于V級圍巖。

        隧道為單線鐵路隧道,埋深大致為10 m,馬蹄形斷面,高10.9 m,寬9.5 m,采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)為噴錨支護(hù),噴混厚度25 cm,錨桿沿拱部和邊墻布置,長4 m、間距1 m×1 m。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土,厚度為50 cm。

        根據(jù)設(shè)計(jì)資料,建立三維有限元模型(圖1)。模型長90 m(z向),寬90 m(x向),高60 m(y向),最大網(wǎng)格尺寸為4 m。對于二次襯砌,沿洞周選取8個(gè)關(guān)鍵部位作為監(jiān)測點(diǎn)。

        圍巖采用DP模型(solid45單元),噴錨支護(hù)采用加固區(qū)實(shí)體單元模擬,二次襯砌采用shell63彈性殼單元模擬,具體計(jì)算參數(shù)見表1。

        圖1 三維有限元模型

        2 人工邊界及地震動(dòng)輸入

        2.1 人工邊界

        在圖1所示模型中,上表面(+y面)為自由表面,在4個(gè)側(cè)面及底面均設(shè)置粘彈性邊界來模擬地基無限域的輻射阻尼效應(yīng)。在ANSYS中,粘彈性邊界采用COMBINE14單元,彈簧—阻尼元件參數(shù)為:

        表1 計(jì)算參數(shù)

        法向邊界:

        (1)

        切向邊界:

        (2)

        式(1)、式(2)中,Cs、Cp分別為圍巖的S波和P波波速;G為動(dòng)剪切模量;R為散射波源到人工邊界的距離,一般取幾何中心到每個(gè)邊界距離的平均值[7],本文取模型長度的平均值,即(90+90+60)/3=80m。

        2.2 地震動(dòng)輸入

        數(shù)值分析中,整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力平衡方程為:

        (3)

        式(3)中:M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣;C和K分別為系統(tǒng)的阻尼和剛度矩陣;Fb為施加在人工邊界上的等效節(jié)點(diǎn)力時(shí)程,即地震荷載。

        計(jì)算中,阻尼矩陣C采用Rayleigh形式:

        (4)

        阻尼系數(shù)按體系的一、三階頻率由式(5)確定:

        (5)

        式中:ξ為阻尼比,取0.05;ω1、ω3為模型的一、三階自振圓頻率,由模態(tài)分析得到,這里分別取9.17rad/s和18.84rad/s。

        粘彈性邊界上的等效節(jié)點(diǎn)力Fb為:

        (6)

        輸入地震波采用汶川臥龍波東西分量(加速度峰值9.55m/s2),由于臥龍波記錄時(shí)間較長,選取10s~25s作為有效持時(shí),并將加速度峰值縮放至0.2g,對其進(jìn)行基線校正和濾波后,經(jīng)過數(shù)值積分得到速度和位移時(shí)程(圖2)。

        計(jì)算中假設(shè)地震波為垂直入射的剪切波(SV波),偏振方向?yàn)閤軸,則根據(jù)圖2所示地震波位移和速度數(shù)據(jù),各粘彈性邊界上的等效節(jié)點(diǎn)力時(shí)程可按式(6)分別進(jìn)行展開得到。由于邊界節(jié)點(diǎn)較多,本文采用APDL編寫了輔助計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)了地震動(dòng)的自動(dòng)加載。

        圖2 臥龍波東西分量加速度、速度和位移時(shí)程

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 位移及加速度響應(yīng)

        選取Z=-45 m(模型中部)斷面處洞周監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圖3為拱頂位移時(shí)程??梢钥闯觯绊敎y點(diǎn)在x方向位移最大,最大值約為12.6 cm,大致為輸入位移峰值的兩倍,而y和z方向位移時(shí)程幾乎為零。圖4為左拱肩加速度時(shí)程,可以看出,測點(diǎn)x向加速度最大,y向次之,z向幾乎為零,與圖2所示位移時(shí)程略有不同。

        圖3 拱頂位移時(shí)程(Z=-45m斷面)

        圖4 左拱肩加速度時(shí)程(Z=-45m斷面)

        表2為洞周測點(diǎn)的位移和加速度響應(yīng)最大值,由于位移和加速度關(guān)于隧道軸線呈對稱分布,故表中僅列出左半邊測點(diǎn)數(shù)據(jù),可以看出,測點(diǎn)z向位移和加速度峰值均為零,拱肩、拱腰和拱腳處y向均產(chǎn)生位移和加速度,但數(shù)值與x向相比均很小。

        上述分析說明剪切波橫向輸入下襯砌僅在xoy平面內(nèi)產(chǎn)生變形(水平向變形為主),三維效應(yīng)不顯著。其它斷面測點(diǎn)的位移和加速度時(shí)程也有類似規(guī)律,不再一一例舉。

        3.2 襯砌內(nèi)力響應(yīng)

        二次襯砌采用彈性殼單元(shell63)模擬,單元內(nèi)力分量

        表2 監(jiān)測點(diǎn)位移和加速度最大值(Z=-45 m斷面)

        如圖5所示。圖中N1、M1為環(huán)向(橫斷面)軸力和彎矩,N2、M2為縱向軸力和彎矩,M12為橫斷面內(nèi)扭矩,N12沿隧道縱向的剪力。

        圖5 殼單元內(nèi)力分量示意

        圖6、圖7分別為Z=-45 m斷面處左拱腳測點(diǎn)的各類彎矩和軸力時(shí)程,可以看出,無論是彎矩和軸力,環(huán)向(橫斷面)內(nèi)力均最大,縱向內(nèi)力次之,扭矩和縱向剪力最小。

        圖6 左拱腳各類彎矩時(shí)程(Z=-45m斷面)

        圖7 左拱腳各類軸力時(shí)程(Z=-45m斷面)

        表3為各監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)力最大值。可以看出,左右拱肩、左右拱腰和左右拱腳的內(nèi)力峰值相差不大,即內(nèi)力關(guān)于隧道軸線對稱,與位移響應(yīng)規(guī)律類似。對于彎矩,環(huán)向彎矩比縱向彎矩和扭矩?cái)?shù)值大很多;對于軸力,縱向剪力數(shù)值最小,除拱腰處外,環(huán)向軸力均比縱向軸力和剪力大。上述分析說明隧道襯砌在地震中主要承受橫斷面內(nèi)的彎壓荷載。

        表3 監(jiān)測點(diǎn)彎矩和軸力最大值(Z=-45m斷面)

        表4為Z=-45 m斷面處監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力峰值(由于對稱分布,僅列出左半邊),可以看出左拱肩和左拱腳的第一主應(yīng)力均大于C35混凝土抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值1.57 MPa,因此在地震中這兩個(gè)部位最容易受拉開裂直至破壞,與汶川地震中隧道震害調(diào)研結(jié)果一致。 圖8、圖9分別為8.2 s時(shí)襯砌的第一和第三主應(yīng)力云圖,可以看出,應(yīng)力沿隧道縱向幾乎無變化,拱腳處主應(yīng)力最大。

        表4 監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力最大值(Z=-45m斷面) MPa

        圖8 T=8.2s時(shí)第一主應(yīng)力云圖

        圖9 T=8.2s時(shí)第三主應(yīng)力云圖

        4 結(jié)論

        本文基于粘彈性邊界,采用波動(dòng)數(shù)值模擬方法,進(jìn)行山嶺隧道三維動(dòng)力響應(yīng)分析,通過上述分析,得到如下結(jié)論。

        (1)地震作用下,無論是位移還是內(nèi)力響應(yīng),均顯示襯砌橫斷面方向響應(yīng)最大,而縱向響應(yīng)很小,襯砌主要承受橫斷面內(nèi)的彎壓荷載。

        (2)地震作用下,襯砌結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力峰值呈對稱分布,拱肩和拱腳內(nèi)力峰值較大,特別是拱腳,是抗震設(shè)計(jì)的薄弱部位。

        [1] 鄭永來,楊林德,李文藝,等.地下結(jié)構(gòu)抗震[M]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2005.

        [2] 高波,王錚錚,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(43):336-341.

        [3] 劉晶波,李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(6):106-109.

        [4] 廖振鵬.工程波動(dòng)理論導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

        [5] 劉晶波,王振宇,杜修力,等.波動(dòng)問題中的三維時(shí)域粘彈性人工邊界[J].工程力學(xué),2005,22(6):46-51.

        [6] 杜修力,趙密,王進(jìn)廷.近場波動(dòng)模擬的人工應(yīng)力邊界條件[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(1):49-55.

        [7] 劉晶波,呂彥東.結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力相互作用問題分析的一種直接方法[J].土木工程學(xué)報(bào),1998,31(3):55-64.

        [8] 李天斌.汶川特大地震中山嶺隧道變形破壞特征及影響因素[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,16(6):743-750.

        鐘昌桂(1987~),男,工程師,主要從事山嶺隧道設(shè)計(jì)工作。

        TU311.3; U452.2+8

        A

        [定稿日期]2016-11-15

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