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        近斷層地震動對跨活動斷層隧道動力響應(yīng)研究

        2020-07-20 12:01:54周宇鍇張志強
        四川建筑 2020年2期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)結(jié)構(gòu)

        周宇鍇,張志強

        (西南交通大學土木工程學院地下工程系,四川成都 610031)

        活動斷層錯動不僅造成巨大的位錯量,同時釋放出的能量以地震波的形式通過周圍巖層介質(zhì)向四周傳播,對于跨越活動的隧道無疑會造成破壞。2008年汶川8.0級地震后,多條隧道遭受嚴重損傷,且大部分靠近發(fā)震斷層,即受到近場地震波的作用,如都汶高速龍溪隧道、燒火坪隧道[1-2]。近斷層的嚴重震害引起了地震工程學家的廣泛重視,系統(tǒng)研究近斷層地震動依賴于觀測記錄的積累和理論分析方法的提高[3]。在對上述的特大地震記錄中發(fā)現(xiàn),近場地震的特性有:上盤效應(yīng)、近斷層破裂的方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、近斷層速度大脈沖和豎向效應(yīng),這些近場地震動效應(yīng)與遠場地震動特性顯著不同。因此研究近場地震動效應(yīng)具有重要的意義。

        本文以烏魯木齊4號線跨越碗窯溝逆斷層為研究對象,碗窯溝斷層具備發(fā)生6.5~6.9級地震的構(gòu)造條件,該地震震級對近斷層區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)具有巨大的破壞性,因此研究隧道結(jié)構(gòu)在近場地震動作用下動力響應(yīng)分析具有一定的科學價值,為實際工程提供一定的參考。

        1 有限元模型建立與參數(shù)設(shè)置

        1.1 模型建立

        采用有限差分軟件FLAC 3D建立三維動力計算有限元模型,模型的左右邊界取2~3倍洞徑,下邊界從仰拱往下取2~3倍洞徑,根據(jù)4號線地勘資料,隧址區(qū)埋深為15 m,斷層帶寬度取36 m,斷層傾角58 °,交角50 °。根據(jù)設(shè)計資料,初期支護采用厚度為300 mm的C25混凝土,二襯采用厚度為600 mm的C45混凝土。

        采用實體單元來模擬圍巖、初支和二襯,采用interface單元來模擬活動斷層上下盤以及圍巖與襯砌之間的接觸關(guān)系,其法向剛度和切向剛度為10倍于周邊單元體最硬的等效剛度。模型的四周采用自由場邊界來模擬無限大的地質(zhì)區(qū)域、底部采用粘性邊界來防止地震波的反射和折射。最終的模型尺寸為長×寬×高=135.0m×40.0m×43.6m,如圖1所示。

        圖1 三維計算模型

        1.2 阻尼設(shè)置

        結(jié)構(gòu)體系采用瑞麗阻尼,即結(jié)構(gòu)阻尼矩陣C可由結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K線性組合而得,如下式所示:

        [C]=a0[M]+a1[K]

        其中:a0為與質(zhì)量成比例的系數(shù);a1為與剛度成比例的系數(shù)。

        1.3 監(jiān)測點布置

        選取二襯斷面的拱頂、左拱腰、左拱腳、左墻腳和仰拱等關(guān)鍵點進行監(jiān)測,其橫斷面監(jiān)測示意圖如圖2所示。此外,在斷層面處、上盤和下盤正常帶地表各設(shè)置了一個監(jiān)測點。

        圖2 橫斷面監(jiān)測點

        2 地震波選取分析

        本文是研究近斷層地震動對隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響,故選取了2條近斷層地震動,再選取2條非近斷層地震動作為對比分析。近斷層地震動均選自1999年臺灣Chi-Chi地震動,屬于向前方向性地震動[4],記錄臺站分別是TCU049和TCU116,普通地震動選自EI-Centro地震波和Taft地震波。計算中,4條地震動峰值加速度均調(diào)整為0.3g。為節(jié)約計算成本,截取TCU049地震動包含峰值加速度在內(nèi)的10~24 s段形成對應(yīng)的計算用地震波,截取TCU116地震動16~36 s段形成對應(yīng)的計算用地震波,截取EI-Centro地震波0~15 s段形成對應(yīng)的計算用地震波,截取Taft地震波0.5~15.5 s段形成對應(yīng)的計算用地震波。

        地震波截取之后,并把地震動峰值加速度調(diào)到0.3g,然后進行濾波和基線矯正處理,使處理后的地震波能為計算所用。對4條地震波進行傅里葉變換得到其傅里葉譜值,其中傅里葉幅值譜表征地震動能量在各頻率范圍的分布[5]。近斷層地震動卓越頻率主要分布在低頻段0~1 Hz范圍內(nèi),普通地震波的卓越頻率分布在高頻段2~10 Hz,可見近斷層地震波屬于長周期地震波,其低頻帶能量豐富,普通地震波高頻帶能量豐富。

        4條地震動速度時,經(jīng)濾波和基線處理后,發(fā)現(xiàn)最終的速度為零,可見,截取的地震波時程曲線可以用于動力計算。近斷層地震動有高速脈沖的特性,主要指的有較長的周期、速度峰值與加速度峰值比(PGV/PVA)較大[6]。其中TCU116地震動和TCU049地震動的峰值加速度均較大,也具有近斷層速度大脈沖的特性,特別是TCU116地震動。其PGV/PGA的比值自然也較大,TCU116地震動PGV/PGA比值為0.20。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 地表加速度響應(yīng)

        4條地震波施加方向為襯砌結(jié)構(gòu)的橫斷面,即以剪切波的形式進行加載。加速度響應(yīng)的波形與輸入地震波波形基本一致,說明計算結(jié)果是可靠的。各地表節(jié)點的加速度響應(yīng)均有不同程度的放大,各節(jié)點呈現(xiàn)的規(guī)律為破碎帶>下盤≈上盤,即圍巖級別相差越大,加速度響應(yīng)放大效應(yīng)越明顯。

        從加速度響應(yīng)峰值來看,4種工況下最大值是Taft地震作用下產(chǎn)生的,值為0.805 g;其次是EI-Centro地震波作用下的0.752g,最小的加速度響應(yīng)是TCU049地震波下的0.714g,可見,加速度放大效應(yīng)中最大值為2.68倍,最小也有2.38倍。說明相同峰值加速度情況下,近斷層地震動作用下的地表加速度放大效應(yīng)并沒有比普通地震波作用下的地表加速度放大效應(yīng)大。

        3.2 襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

        將各個監(jiān)測點加速度響應(yīng)在4條地震動作用下的峰值提取出來,繪制圖3和圖4所示的圖形,由圖可知,在相同峰值加速度地震作用下,襯砌結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)具有不同程度的放大效應(yīng),放大效應(yīng)最大的是TCU116地震波作用下的2.083倍,最小的是Taft地震波作用下的1.170倍。在同一監(jiān)測斷面下,地震波產(chǎn)生的襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)由大到小依次是TCU116波、EI-Centro波、TCU049波和Taft波,這也說明近斷層地震動作用下襯砌結(jié)構(gòu)的峰值加速度響應(yīng)并沒有比普通地震動作用下的顯著。

        圖3 S5斷面峰值加速度響應(yīng)

        圖4 F0斷面峰值加速度響應(yīng)

        3.3 襯砌結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)

        圖5和圖6分別為S5斷面和X5斷面的峰值速度響應(yīng),由圖5、圖6知,在同一工況下,各監(jiān)測點的速度響應(yīng)基本相同,且有不同程度的放大,從與斷層面距離來說,S5斷層的各監(jiān)測點的峰值速度響應(yīng)略低于F0斷層的速度響應(yīng),但是值相差并不明顯,說明在圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的互相作用下,圍巖級別對襯砌結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)有一定的影響。

        圖5 S5斷面峰值速度響應(yīng)

        圖6 F0斷面峰值速度響應(yīng)

        F0斷面下,4條地震動作用下峰值速度放大倍數(shù)分別為2.32倍、2.08倍、1.82倍和1.72倍,這也體現(xiàn)近斷層地震動具有高速脈沖、較大的PGV/PGA值。

        3.4 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

        襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力響應(yīng)如圖7和圖8所示,S5斷面各節(jié)點應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律為拱頂>左拱腰>左拱腳≈左墻腳≈仰拱,F(xiàn)0斷面的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律為拱頂<左拱腰<左拱腳<左墻腳<仰拱。

        圖7 S5斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)

        圖8 F0斷面最大主應(yīng)力響應(yīng)

        相同斷面下,4條地震波作用下應(yīng)力響應(yīng)呈現(xiàn)的規(guī)律為:TCU116>TCU049>EI-Centro>Taft,近斷層地震動的應(yīng)力響應(yīng)比非斷層地震動大很多。以F0斷面為例,TCU116地震波下的仰拱最大主應(yīng)力是EI-Centro波和Taft波的3.81倍、6.37倍,左墻腳最大主應(yīng)力是EI-Centro波和Taft波的4.05倍、6.87倍。TCU049地震波下的仰拱最大主應(yīng)力是EI Centro波和Taft波的1.96倍、3.28倍,左墻腳最大主應(yīng)力是EI-Centro波和Taft波的1.70倍、2.88倍。

        4 結(jié)論

        本文以烏魯木齊軌道交通4號線跨越碗窯溝逆斷層為研究背景,利用數(shù)值軟件建立三維有限差分模型,對比分析近斷層地震動與普通地震動對跨活動斷層隧道動力響應(yīng)的差異,主要有以下結(jié)論:

        (1)近斷層地震動屬于長周期地震動,其低頻帶能量豐富,普通地震動高頻帶能量豐富;近斷層地震動具有高速脈沖特點,具有較高的PGV/PGA值。

        (2)地表加速度響應(yīng)和襯砌結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)均有不同程度放大,即圍巖級別相差越大,加速度響應(yīng)放大效應(yīng)越明顯。近斷層地震動作用下加速度響應(yīng)放大效應(yīng)并沒有比普通地震動顯著。

        (3)近斷層地震動作用下的襯砌結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)都比普通地震動大,且圍巖級別越差,應(yīng)力響應(yīng)越大,因此,需采取措施提高跨活動斷層隧道在近斷層區(qū)域的抗震性能。

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