浅埋矩形截面地铁隧道的地震响应分析

７０　低温建筑技术　２０１２年第１期（总第１６３期）　浅埋矩形截面地铁隧道的地震响应分析　高扬，杜兴华　（天津大学建筑工程学院。　天津３０００７２）　【摘要】　利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对某浅埋矩形截面地铁隧道在水平地震作用下的地震响应进行时程分　析，建立土一结构相互作用计算模型，得出隧道结构及围岩的内力和位移响应。时程分析表明：水平地震作用下，　浅埋地铁隧道在水平方向和竖直方向的位移响应特点不同；隧道结构各内力最大值均较小，地震作用下结构安全　可靠。　【关键词】地铁隧道；接触；位移时程曲线；内力　【中图分类号】ＴＵ３１１．３　【文献标识码】　Ｂ　【文章编号】　１００１—６８６４（２０１２）０１—００７０—０３　随着地下工程的快速发展，地下结构震害也不断发生，特　别是１９９５年日本阪神大地震致使神户地铁车站受到严重破　坏，曹炳正、罗奇峰等”　研究认为该地铁车站未考虑抗震设　分析。有限元模型如图１所示。　防，中间柱截面尺寸较小，在较大轴力和剪力共同作用下发生　破坏，进而导致整体结构破坏。因此，对地下结构进行相关抗　震研究十分必要。采用有限元法进行地下结构的地震响应分　析，获得地下结构在整个地震作用中随时间变化的内力和变　形结果，可以较好得验证设计结果，保证结构安全。本文采用　动力有限元法对天津某拟建地铁隧道进行动力时程分析，得　到了浅埋地铁隧道的位移响应和内力响应特点。　１　工程概况　图１有限元模型　拟建双线地铁隧道区间，位于天津市区，地下两层，埋深　２ｍ，土层材料参数见表１。地铁隧道结构断面为矩形，位于地　下二层，根据规范建筑限界的要求及考虑施工误差，内部净空　２．１单元类型　土体用四节点等参单元ＰＬＡＮＥ４２来模拟，并用ＤＰ模　型考虑土体的弹塑性。地下连续墙、板及中间支承柱用　ＢＥＡＭ３单元模拟，其中地下连续墙和板沿隧道纵向取单位　取４．２ｍ×４．５ｍ，地下一层作为地下停车场，内部净空取４．２ｍ　Ｘ３．６ｍ。地下连续墙厚度为５００ｒａｍ，人土深度７ｍ，顶板、中层　板、底板厚度分别是５００、３００、５５０ｍｍ，均采用Ｃ３０混凝土，弹　长度Ｉｍ进行计算，中间钢管混凝土柱按抗弯刚度等效原则　计算。土与结构的相互作用采用面一面接触单元模拟，分　别用ＴＡＲＧＥ１６９单元和ＣＯＮＴＡＣ１７２单元模拟“目标”面和　“接触”面，摩擦系数为０．４。　２．２计算范围与边界条件　考虑计算成本、精度要求及边界条件等因素，本次计算　范围取为９０ｍ×６０ｍ。底部边界为基岩面，水平和竖直方向　性模量为３．０　Ｘ１０　Ｐａ，泊松比为０．２，密度为２５００ｋｇ／ｍ　；中间　柱采用￣６００钢管混凝土柱，钢管采用Ｑ２３５钢板，壁厚为　１４ｍｍ，内灌注Ｃ４０混凝土，根据钢管混凝土统一理论视为一　种统一的组合材料　，计算得到统一弹性模量为４．５５×１０　Ｐａ，密度为２９８３ｋｇ／ｍ　，纵向柱间距为６ｍ。　表１　土层材料参数　均为固定；顶部边界自由；两侧边界采用严细水、赵永倩　等ｌ３　推荐的大范围截断边界，本文动力时程分析仅考虑水　平地震波，远离结构的土体竖向变形可忽略不计，因此侧向　边界处约束竖向位移，而水平位移自由。　２．３地震波输入　本文采用宁河天津波记录，仅考虑竖向传播的ｓ波，截　取包含峰值在内的６～１６ｓ时间段的地震加速度记录，采样　频率为０．０１ｓ。根据（ＧＢ５００１１—２００１）《建筑抗震设计规　范》的规定，天津地区抗震设防烈度为７度，按照罕遇地震标　准将地震加速度峰值调至３．１ｍ／ｓ　，如图２所示。　２动力有限元模型　３数值计算结果及分析　采用大型通用有限元软件ＡＮＳＹＳ，建立考虑土一结构　在有限元模型基岩处输入经过调幅后的水平地震波，　对考虑土一结构相互作用的整体平面有限元模型进行地震　相互作用的地铁隧道平面应变模型，进行完全法瞬态动力　高扬等：浅埋矩形截面地铁隧道的地震响应分析　７ｌ　响应时程分析。隧道结构及围岩关键结点编号（其中括号　内编号为与隧道结构接触的围岩结点），见图３。　４　２　越０　嚣一２　－４　０　２　４　６　８　１０　时间／ｓ　图２输入地震波　图３隧道结构及围岩关键结点编号　３．１水平位移响应　合。图（ｂ）中顶板关键结点２、ｌｌ、２１情况相同。这表明：在水　分别取隧道结构结点２、１、６和２、１１、２１进行研究，水平　平地震作用下，隧道结构各位置处的水平位移处于同步水平　位移时程曲线如图４（ａ）、（ｂ）所示；取隧道结构结点２、１１及　振动状态，各层之间的水平位移差非常小。分析其原因，隧道　对应围岩接触结点７６、９５３进行研究，水平位移时程曲线如　结构的墙、柱、板各混凝土构件的刚度相对较大，且结构的跨　图４（ｃ）、（ｄ）所示。　度和高度都较小，结构整体性高，整体刚度大，水平刚度分布　从图４（８）可以看出，三个结点的位移时程曲线几乎重　均匀，所以隧道结构在水平地震作用下发生整体水平振动。　０　。一　＊一０　时间／ｓ　时间，ｓ　时间，ｓ　时间，ｓ　（ａ）　（ｃ）　回　图４不同结点水平位移时程曲线　从图４（ｃ）、（ｄ）可以看出，在水平地震作用下，隧道结构　结构与接触围岩水平运动协调一致。　与接触围岩共同产生水平振动，接触点之间没有相互错动，　３．２竖向位移响应　水平运动协调一致。分析其原因，隧道结构处于半无限地基　取与水平位移分析中相同的各组结点进行竖向位移地　中，在水平方向受到围岩较强的约束作用，地震发生时围岩　震响应分析，时程曲线如图５一图８所示。　产生水平运动，进而带动隧道结构产生水平位移，所以隧道　０　２　４　６　８　ｌＯ　０　２　４　６　８　１０　时间，Ｂ　时间『目　图５结点２、ｌ、６竖向位移时程曲线　图６结点２、１　１、２ｌ竖向位移时程曲线　分析比较各组结点竖向位移时程曲线，其中左侧地下连　用下，同样因为较浅的上覆土对隧道结构的竖向约束作用不　续墙关键结点２、１、６的竖向位移ＨＪ崔曲线几乎完全重合，如　强，导致隧道结构（结点２、１１）与接触围岩（结点７６、９５３）产　图５所示，而顶板关键结点２、ｌ１、２ｌ的竖向位移时程曲线则　生不同的竖向运动，接触点之间发生相互错动，同时，由于隧　不同，究其原因，对于浅埋地铁隧道，上覆土厚度较小（本工　道结构的整体性高于围岩，隧道结构的竖向振幅明显小于　程仅为２ｍ），对隧道结构的竖向约束不强，同时结构在竖直　围岩。　方向的刚度分布不均匀，导致水平地震作用下顶板各位置处　３．３隧道结构内力响应　产生不同的竖向运动；从图７、图８　以看出，在水平地震作　表２给出了加速度峰值为３．１ｍ／ｓ　的宁河天津波作用　７２　低温建筑技术　２０１２年第１期（总第１６３期）　Ｏ．００５Ｏ　０．００３０　登。删。　遥－０．００１０　＿ｏ．ｏ０３０　醐．－０～．００２０｝　Ｏ　ｉ　６　８　　ｌＯ　Ｏ　２　４　６　８　ｌＯ　２　４　时间，ｓ　时间／ｓ　图７结点２、７６竖向位移进程曲线　图８结点１　１、９５３竖向位移时程曲线　下，隧道结构各位置处的最大弯矩和剪力。　表２隧道结构各位置处最大弯矩和剪力（绝对值）　位置弯矩／ｋＮ．　（１）　隧道结构的跨度和高度均较小，地下连续墙、板　等构件刚度较大，具有良好的整体性，在水平地震作用下发　生整体水平位移，层间位移不明显。　（２）　隧道结构处于半无限地基中，在水平方向受到围　位置弯矩／ｋＮ．　剪力／ｋＮ　岩较强的约束作用，地震作用下产生与围岩协调一致的水平　运动。　（３）　浅埋地铁隧道的上覆土对隧道结构竖向约束不　强，隧道结构与接触围岩产生不同的竖向运动，接触点之间　发生相互错动；顶板各位置处的竖向位移响应也不同；同时，　由于隧道结构的整体性高于围岩，隧道结构的竖向振幅明显　小于围岩。　（４）　与地铁车站的地震反应不同，隧道结构的弯矩和　从表２结果可以看出，在宁河天津波水平地震力作用　下，隧道结构的最大弯矩出现在右侧地下连续墙底，大小为　剪力最大值均较小，中间柱不易发生剪切破坏，隧道结构偏　于安全。　３４１．２ｋＮ・ｍ。同时，两侧地下连续墙的上、下两端弯矩值都　较大，这与隧道结构整体水平振动有关，因为两侧地下连续　墙与顶板、底板共同构成一个封闭整体，顶板和底板对地下　连续墙提供较大的横向支撑刚度，使其在围岩带动下产生整　体水平位移，所以地下连续墙的四个端点处弯矩值较大。隧　道结构的最大剪力出现在下层左侧地下连续墙顶端，大小为　１６７．５ｋＮ。　参考文献　［１］曹炳政，罗奇峰，马硕，刘晶波．神户大开地铁车站的地震反应　分析［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００２，２２（４）：１０２—１０７．　［２］　钟善桐．钢管混凝士统一理论——研究与应用［Ｍ］．北京：清　华大学出版社，２００６．　相关学者…　４－６　３对地铁车站地震反应分析进行了大量　研究，结果表明由于车站结构横向跨度和高度普遍较大，地　震作用产生的结构剪切变形导致较大的层间位移，柱端弯矩　和剪力均较大，而中柱截面尺寸较小、纵向间距大且没有周　围土体约束，是车站结构的抗震薄弱环节，容易发生破坏。　与车站结构相比，隧道结构的跨度和高度均较小，层间位移　［３］严细水，赵永倩．朱汉华，王迎超．基岩地震波作用下隧道计算　模型分析［Ｊ］．隧道建设，２００９，２９（５）：５０３—５０５．　［４］鲍鹏，姜忻良，盛桂琳．天津地铁土城车站地震反应分析［Ｊ］．　建筑结构，２００７，３７（１）：９９—１０１．　［５］　陶连金，王沛霖，边金．典型地铁车站结构振动台模型试验　［Ｊ］．北京工业大学学报，２００６，３２（９）：７９８—８０１．　［６］　田雪娟．地铁车站抗震分析［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１０．　值非常小，弯矩和剪力不大。　４结语　［收稿日期］２０１１－０９—２７　［作者简介】高扬（１９８６一），男，河北廊坊人，硕士研究生，　本文对某浅埋矩形截面地铁隧道进行了水平地震响应　非线性时程分析，得出了浅埋地铁隧道的位移响应和内力响　应的特点：　研究方向：钢筋混凝土。　（上接第６３页）　［５］　郑全明．拉力型土锚最优长度及最大极限承载力的确定【Ｊ］．　西部探矿工程，２０００，６３（２）：２７—２８．　［８］程良奎，范景伦，韩军，等．岩土锚固［Ｍ］．北京：中国建筑工　业出版社。２００３：７６—７９．　［６］张发明，陈祖煜。等．岩体与锚固体问粘结强度的确定［Ｊ］．岩　土力学，２００１，２２（４）：４７０—４７３．　［收稿日期］２０１ｌ—ｌ０一ｌ１　［作者简介］　毕继红（１９６５一），女，江苏人，工学博士，教授，博　士生导师，从事复杂结构分析的研究。　［７］魏新江，张世民，危伟．全长粘结式锚杆抗拔力计算公式的　探讨［Ｊ］．岩土　程学报，２００６，２８（７）：９０２—９０５．