進(jìn)入21世紀(jì)以來,國內(nèi)及國際關(guān)系的緊密連接促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展,而作為承載相互關(guān)系形成的重要工具,國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)更是迎來了重要契機(jī)[1]。此時(shí),地鐵隧道憑借其獨(dú)立的交通方式應(yīng)運(yùn)而生,成為緩解城市交通不可或缺的重要拼圖。相對于地面建筑地震危害而言,地鐵隧道因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式,人們往往認(rèn)為地鐵隧道抗震性能較地上建筑存在一定優(yōu)勢。但是近些年來,地震導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)破壞的案列比比皆是。1985年,墨西哥8.1級地震,由于地基為軟弱土層,致使地鐵側(cè)墻與地表結(jié)構(gòu)相交部位產(chǎn)生裂縫而破壞[2];1995年阪神地震中,神戶市內(nèi)地鐵線路的車站中,多處隧道部分均遭到不可逆轉(zhuǎn)的破壞[3]。于是,多次地震導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)破壞問題受到了全世界的關(guān)注,隧道及地下工程的抗震性能問題成為近年來地震問題研究的重點(diǎn)。
目前隧道與地下結(jié)構(gòu)工程抗震分析中,以靜力法、反應(yīng)位移法、動(dòng)力分析法最具代表性。其中,靜力法所需計(jì)算參數(shù)較為容易讀取,計(jì)算簡便,但所得數(shù)據(jù)較為粗糙,與實(shí)際結(jié)果偏差較大;反應(yīng)位移法操作簡便,但應(yīng)用領(lǐng)域存在一定局域性,只適用于均勻地質(zhì)中;動(dòng)力分析法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,理論上能達(dá)到較高精度,但其對邊界模擬、地震波選擇、材料參數(shù)選取要求較高,建模和后期處理也較為復(fù)雜[4]。
本文采用反應(yīng)位移法及時(shí)程分析法,通過收集地質(zhì)水文地震等計(jì)算所需設(shè)計(jì)參數(shù),分析隧道管片在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律,確定結(jié)構(gòu)薄弱位置,論證隧道管片考慮抗震工況時(shí)的配筋設(shè)計(jì),從而為該地區(qū)地鐵隧道抗震設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。
區(qū)間全長約877 m,底板埋深19.12~29.73 m,區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。隧道穿越地層為③-2b2層可塑粉質(zhì)黏土、③-3b1-2層可塑—硬塑粉質(zhì)黏土、③-4e層可塑—硬塑含卵礫石粉質(zhì)黏土、K1g-0層殘積土、K1g-2層強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、K1g-2-2層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、含礫砂巖、K1g-3-1-1中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、K1g-3-1中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。③-4e可塑—硬塑含卵礫石粉質(zhì)黏土為承壓含水層,中風(fēng)化巖主要為極軟巖—軟巖。各土層參數(shù)見表1。
表1 土層參數(shù)
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[5],南京地區(qū)抗震設(shè)防烈度為七度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g,南京地區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第一組。
按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》[6]特征周期分區(qū)為一區(qū)。
地震力作用主要由土層相對位移、地層剪力以及結(jié)構(gòu)慣性力組成,其中影響占比較高的為地層相對位移及地層剪力,結(jié)構(gòu)自身慣性力的影響相對較小。
本工程區(qū)間結(jié)構(gòu)利用Midas建模時(shí),單元?jiǎng)澐珠L度約為1 m,縱向取1 m長度計(jì)算。地層相對位移及地層剪力、結(jié)構(gòu)自身慣性力計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 E2作用下地層位移
模型中管片板厚為0.35 m,其余計(jì)算參數(shù)見表3。
表3 區(qū)間模型計(jì)算參數(shù)
計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行,計(jì)算簡圖繪制見圖1。
圖1 地震作用計(jì)算
2.3.1 軸力
結(jié)構(gòu)均處于軸向受壓狀態(tài),最大軸力為882 kN。
2.3.2 剪力
結(jié)構(gòu)的剪力分布呈現(xiàn)出以模型135°方向直徑為對稱軸對稱的形式,結(jié)構(gòu)最大剪力為116 kN。
2.3.3 彎矩
結(jié)構(gòu)最大彎矩值為126 kN·m。
選取荷載1作用下的變形結(jié)果進(jìn)行分析。區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)地震作用下,水平最大位移為11.2 mm,發(fā)生在區(qū)間隧道拱頂位置處,拱底位置處位移較小。
采用GTS NX建模見圖2??紤]水平和豎向地震波的影響,計(jì)算模型的人工邊界距地下結(jié)構(gòu)不小于3倍地下結(jié)構(gòu)水平有效寬度。根據(jù)計(jì)算分析需要,模型的尺寸為X×Z=400 m×52 m選取土巖結(jié)合面位置建立模型,管片厚度0.35 m,注漿厚度為盾構(gòu)襯砌外2 m。模型左右兩側(cè)約束X方向的平動(dòng)自由度,底部約束X、Y兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度。
圖2 二維時(shí)程法計(jì)算模型
根據(jù)《南京某地鐵二期工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》的內(nèi)容及抗震設(shè)計(jì)條件,選取E2地震作用下4條人工擬合地震波(荷載1—荷載3),波形圖見圖3。
圖3 E2地震作用下3種不同地震波
選取荷載3作用下的內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行分析。
1)軸力 結(jié)構(gòu)均處于軸向受壓狀態(tài),最大軸力為1150 kN。
2)剪力 結(jié)構(gòu)的剪力分布呈現(xiàn)出以模型135°方向直徑為對稱軸對稱的形式,結(jié)構(gòu)最大剪力為104 kN。
3)彎矩 結(jié)構(gòu)最大彎矩值為93 kN·m。
選取荷載3作用下的變形結(jié)果進(jìn)行分析。區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)地震作用下,水平最大位移9.1 mm,發(fā)生在區(qū)間隧道拱頂位置處,拱底位置處位移較小。
將3種分析方法計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)橫斷面內(nèi)的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)統(tǒng)計(jì),見表4。
由表4中的數(shù)據(jù)可知,靜力工況下計(jì)算出的內(nèi)力,反應(yīng)位移法、時(shí)程分析法計(jì)算出的內(nèi)力值依次呈現(xiàn)遞減趨勢,并通過與現(xiàn)實(shí)施工過程中位移變形所得監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)時(shí)程分析法所得數(shù)據(jù)與實(shí)際情況較相近。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[5],結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震驗(yàn)算應(yīng)采用下式:
表4 區(qū)間橫斷面應(yīng)力統(tǒng)計(jì)
式中:S為荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;
R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值;
γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù),取0.85。
在抗震設(shè)計(jì)中,管片按壓彎構(gòu)件考慮,頂板和底板按純彎構(gòu)件考慮。對管片各項(xiàng)應(yīng)力值行進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算,按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010—2010)》[7]計(jì)算截面配筋,見表5。
表5 截面配筋結(jié)果
E2地震作用下,結(jié)構(gòu)整體差異位移量未超出限制,滿足抗震性能中“經(jīng)一般修理后仍可繼續(xù)使用”的要求。
本文通過二維反應(yīng)位移法以及時(shí)程分析法,以南京地鐵為工程實(shí)例,比對靜力結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)彎矩、軸力、剪力均大于反應(yīng)位移法與時(shí)程分析法所得數(shù)據(jù)且呈現(xiàn)逐步遞減趨勢,初步分析其原因?yàn)榈罔F隧道埋深較深導(dǎo)致。綜合來看,本文計(jì)算采用的各參數(shù)取值較為合理,計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況相符合,能較好模擬地鐵隧道在各工況下的地震反應(yīng)情況。同時(shí),本文通過對管片的內(nèi)力值包絡(luò)統(tǒng)計(jì),給出了合適的管片截面配筋率,驗(yàn)證了本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足南京區(qū)域抗震性能要求,對南京區(qū)域地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。