摘 要: 在采集和分析地鐵震害類型的基礎上,考慮了地震荷載作用下區間隧道的受力特點及軟土和結構材料的動力特性,對軟土地層中的地鐵區間隧道的抗震設計方法進行了研究。內容包括:地鐵區間隧道斷面的地震響應計算,等代地震荷載的確定原則,以及在2 %、10 %和6312 %三種概率水準,上海市區典型區間隧道斷面的等代地震荷載及其修正系數的確定等。有關成果對地鐵區間隧道簡化抗震設計方法的建立有參考價值。
引言
神戶地震發生前,世界各國對地下結構震害的預防研究較少,原因主要是以往尚無地下結構因發生地震而遭受嚴重破壞的先例。神戶地震(1995 年) 首次使地鐵車站和區間隧道遭受嚴重破壞,由此開始引起人們對這類課題的關注,世界各國尤其是日本,許多大學教授和研究機構,紛紛針對區間隧道和地鐵車站的震害類型,研究導致震害的主要原因,并據以建立分析理論和建議設計方法。如Takashi MATSUDA 等(1997)
[1 ] 在對上澤地鐵站(Ka2 misawa Station) 震害調查的基礎上,對該站的震害機理進行了研究;S.Nakamura 等(1997) [2 ] 從地層相對位移的角度對大開地鐵站(Daikai Subway Station) 的破壞過程進行了分析研究。與此同時,人們對地層性質和結構構造變化對震害的影響也給予了關注, 認為這類因素易于導致結構發生縱向不均勻變形并由此導致震害。
[3 ] 對抗震設計 我國目前的地下鐵道設計規范尚無具體規定,原因主要是研究工作開展不夠,基礎資料不足。
[4 ] 介紹了軟土地下結構的抗震設計計算方法,其基本思路仍為靜力法;
[5、6 ] 系統介紹了地下結構的抗震分析方法,并將其分為波動解法和相互作用解法(結構動力學法) 二類。
[7 ] 從地基震陷及接縫變形角度,按假想的3 種概率水準下的地震行波研究了區間隧道的抗震性能,
[8 ] 在對地震輸入波和軟土動力參數作假設的基礎上,采用有效應力動力方法研究了軟土隧道抗震穩定性。
上述成果對我國制定軟土地鐵結構抗震設計指南或規范顯然還遠遠不夠,可見在這一領域開展進一步研究具有重要的意義。本文在采集和分析地鐵震害類型的基礎上
[9 ] 對軟土地層中地鐵區間隧道的抗震設計研究確定等代地震荷載的方法,可為簡化抗震設計計算方法的建立奠定基礎對結構動力響應,本文擬同時采用結構動力學法和應力波法進行分析,以使結果可互相比較和驗證。
2 地鐵區間隧道地震響應的計算
211 有限元分析的計算簡圖
以上海地鐵二號線陸家嘴站及石門一路站附近的區間隧道為例,前者地基土中含有液化層,后者則不含。為表述方便,以下將其分別稱為區間隧道1 和區間隧道2。設計研究中將埋深取為平均值15m ,斷面尺寸選為標準尺寸。
基金項目:上海市重點學科建設項目資助。
鑒于資料表明上海市區的地震以水平向震動為主,及對7 度設防地區結構僅需考慮橫向振動的影響,以下計算擬僅主要考慮水平向地震波的作用。
21111 基本假定
進行動力有限元分析的基本假定為:
(1) 地震動時,地層深部的運動通過隧道下方某一深度處的基巖面向上傳遞,使位于基巖面上方的巖土介質連同其內埋藏的隧道襯砌結構對基巖面發生相對運動;
C1 6312 %概率
圖1 區間隧道1
水平向地震波(第一個加速度)
(2) 基巖面定義為地震波速大于某一定值的界面;
(3) 土2隧道體系的地震慣性力可轉化為離散化體系上的結點力。
(4) 基巖地震動輸入取自上海市地震動參數小區劃研究的成果[7 ] ,并由等效線性化一維土層地震反應計算程序LSSRL 計算獲得基巖深度處(按鉆孔深度取地表以下70m) 的未來50 年超越概率分別為6312 %、10 %和2 %的地震動加速度時程輸入,每個概率下有3 個輸入波,如圖1、2 所示。
21112 計算區域與網格劃分地鐵區間隧道處于半無限體地層中,橫剖面上左右和下方的邊界均在無窮遠處。鑒于計算機容量的限制,本文擬以邊界效應的影響可予忽略為前提選取計算區域。上海地鐵的區間隧道為雙孔隧道,孔徑D = 6. 2m ,兩孔之間的中心距為13m ,故在水平向,擬將計算范圍取為自隧道軸線起算向兩側各延伸215D ,總寬度為55m;豎向計算深度則取為70m。有限元分析中,計算域被離散為單元,如圖3
C1 6312 %概率
圖2 區間隧道2
水平向地震波(第一個加速度) 和圖4 所示。
圖中土層單元均為四邊形四節點平面單元,隧道結構單元為厚0135m 的梁單元。力學性質不同的土層的界面均為單元的邊界,在預計應力梯度很大的隧道附近的部位加密單元網格。
21113 邊界條件和計算參數
靜力問題分析中,對左右邊界的結點假設存在水平向連桿,豎直方向可自由變形;底部邊界結點為鉸結點;上部邊界為自由變形邊界。采用結構動力學法計算時,鑒于地震輸入為水。
此文曾發表于：《地下空間》2003年2期
原作者：鄭永來 劉曙光 楊林德 童峰
