城市轻轨地下隧道结构抗震分析探讨.docx

城市轻轨地下隧道结构抗震分析探讨摘要本文主要针对当前方兴未艾的城市轻轨交通中的地下隧道,在结构抗震分析方面进行了探讨,并提出了合理的计算方法,供读者参考。关键词城市轻轨隧道抗震分析大城市的交通设施,无论国内外都是人们关注的问题,完全依赖地面交通难以获得令人满意的效果,利用地下空间开拓城市轻轨交通,已是国际上大城市解决交通问题的共识。自20世纪60年代中期开始,北京着手筹建地下铁道,并于60年代末建成了国内第一条地下轨道交通线。尔后,国内各大城市也都在筹划开展地下轻轨交通的兴建。我国属多地震国家,受地震影响的城市,覆盖范围极广,逾70%的省会城市,抗震设防烈度均在7度(含)以上。显然,在这些城市兴建地下轻轨交通时,都会涉及到结构抗震问题,但目前我国相应的设计规范中,尚无明确规定合理的抗震设计方法。为此,本文针对地下轻轨交通中的隧道结构,探讨其合理的抗震分析方法,提供给相关的设计人员参考。一、地下轻轨隧道结构的地震动反应地下轻轨交通的结构型式,可以是圆形、矩形或上顶拱形结构等,通常与采用的施工工法相关,就其在地震作用下的受力状态而言,不论其结构型式,均视作地下隧道线状结构考虑。由于城市轻轨交通的地下隧道,一般埋深较大,隧道这种线状结构受到的阻尼作用很大,其结构的自振频率很高,因此地震动引起的惯性力当可忽略不计。历来对地下隧道的工程抗震验算,都将其视作土体的一部分,验算这种线状结构在地震行波的作用下,隧道结构所引发的应力(应变)是否超过其承受的能力(与常规荷载效应组合后)[1,2]。通过对历次强烈地震中地下结构的实际震害反映和现场模拟试验[3],确认将地下结构视作完全顺应地震行波作用下土体的变位,无疑是比较保守的。因为从整体来看,地下线状结构与大地波动相比,其结构刚度是微不足道的;但土体毕竟不是刚体,就微观分析,结构刚度还是有影响的,土体的波动变位还不可能完全传递给地下结构。据此,目前国际上较为通用的抗震验算模式,乃是将地下线状结构视作埋设于土体中的弹性地基梁,作为工程上实用的解析模型[2,4]。二、地下隧道结构抗震验算模型的建立与应用将地下结构视作埋设于土体中的弹性地基长梁,早在20世纪50年代后期提出并在工程上应用。从实用出发,考虑地震动时耗能最大的剪切波的行进作用,同时简化为正弦函数表达。根据这一前提,当地下隧道遭到任意入射角()的剪切波作用时,其影响结构的土体变位可由图1表示。图1在剪切波作用下,土体变位矢量图图1中uG—剪切波行进时,土体位移的最大幅值,即场地地面位移的最大幅值;uS—剪切波行进时,X轴线上土体的位移量;uS—剪切波行进时,X′轴线(即沿隧道走向)上的土体位移量;L—剪切波的波长;L′—沿隧道走向X′轴线上,剪切波的视波长,即L′=L/cos;—剪切波的入射角,即剪切波行进方向与隧道走向轴线的夹角。隧道结构作为弹性地基梁的计算模型,如图2所示。图2弹性地基梁计算模型我国国家标准《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB50032—2003中,对地下管道的抗震验算考虑尽量与国际接轨,就引用了这一计算模型,但仅计入了沿管线走向的纵向变位。此时,按图2单元结构上的平衡方程可得下式:dFE+KL(uS-uP)dx′=0(1)式中FE—单元结构上的受力,即duPFE=EAdx′E—结构材料的弹性模量;A—结构的横截面面积;KL—单元结构上沿管线走向的弹性阻抗系数,即KL=klUo;kl—沿结构走向的单位面积弹性阻抗系数;Uo—单元结构的外缘表面积;′uS—在剪切波作用下,沿结构走向的土体位移;uP—在剪切波作用下,结构沿走向(即纵向)的位移。′的正弦表达式,以图1设定的座标,并代入uS式(1)的通解可得:当x′=0和x′=L′2时,应为uP=u′S=0,则可得C1=C2=0。由此可得在剪切波作用下的纵向位移为:1′′uP=(2π)2uS=ζLuS(3)EA1+KLL式中ζL—纵向变位传递系数,即1=ζLEA1+(2π)2(4)KLL相应的结构纵向应变量应为:2πεp=ζLuGsin除了以式(7)提供工程抗震验算外,文献[2]还提出了要考虑自基岩竖向传递至地面的剪切波作用,使隧道结构竖向产生畸变,相当于隧道的顶、底间产生相对偏移。这种情况与建设场地的工程地质条件相关,如果基岩埋深很大,结构产生的畸变量甚小,可以忽略其影响;如果基岩埋深很浅,隧道高度较大时,则畸变影响应予考虑。三、各项计算参数的确定对地下隧道结构按式(7)进行抗震验算时,各项计算参数的合理拟定至关重要。下面将逐一进行探讨。11地面位移幅值uG从工程实用考虑,uG值可按下式计算:KHgT2guG=4π2(9)式中KH—相应设防地震烈度的水平向地震系数;g—重力加速度;Tg—场地的特征周期。式(9)系按相应设防烈度的地震加速度换算获得,比之实际地震记录小