基于时程分析法的地铁盾构隧道抗震设计_叶家强.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 7收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 2第一作者:叶家强(1 9 8 5-),男,高级工程师,硕士。基于时程分析法的地铁盾构隧道抗震设计叶家强 丁静泽(北京市市政工程设计研究总院有限公司 北京 1 0 0 0 8 2)摘 要 地铁工程一旦遭遇地震作用的破坏,后果严重。目前地铁隧道常采用盾构法施工,为研究地震作用对盾构隧道的影响,先分析盾构隧道的抗震性能目标,再提出基于直径变形率的盾构隧道在性能要求I时和性能要求I I时的变形限值,后采用m i d a s软件进行非线性时程分析。分析表明,在E 2地震作用下,盾构隧道承载力满足规范要求,变形满足性能要求I,即中震弹性;在E 3地震作用下,盾构隧道变形满足性能要求I I,即大震局部弹塑性。关键词 盾构隧道 抗震性能目标 时程分析法 抗震设计中图分类号 U 4 5 9.1 我国是一个地震多发的国家,根据中国地震动参数区划图,我国大部分城镇均处于抗震设防区,在全国多个城镇中,有一半以上位于抗震设防烈度为7度及8度以上的地震区,如北京、天津(汉沽)、台北、海口等大城市位于8度的高烈度区,上海、广州、深圳等大城市位于7度区,昆明(东川)更是位于9度区。地震作用对地上建筑结构的影响相对来讲研究得比较透彻,地上建筑结构的抗震分析计算软件也比较成熟,各国根据本国国情颁布了针对地上建筑结构的抗震设计规范。由于类似于地铁的地下结构大规模建设起步较晚,故经历地震次数有限,故震害资料收集的不多,关于地铁震害的记录也比较少1。研究者普遍认为隧道受围岩约束,由螺栓连接起来的薄壁管片环柔度较好,地震时管片环能随周围土层一起运动,抗震性能较好,在砂层不发生地震液化时,认为隧道在地震时是安全的,对盾构隧道的抗震研究滞后于对建筑结构的抗震研究2。地铁作为城市的生命线工程,区间常采用盾构法施工,盾构隧道工程复杂,造价比较高,隧道一旦发生破坏,除了检测困难和难以修复外,将带来更为严重的社会影响,如地铁停运将严重影响城市交通的正常运行3。因此,对地铁盾构隧道进行充分的抗震分析与设计十分必要。盾构隧道常用的抗震分析方法有反应位移法、时程分析法、惯性力法等,本文采用时程分析法进行抗震分析。对于地上结构,规范给出明确的抗震变形验算指标,如钢筋混凝土框架结构,规范采用层间位移角作为抗震变形验算的指标。但对于圆形盾构隧道,国内目前的规范并未给出变形验算指标,也未明确管片结构的抗震构造措施。因此本文先从分析抗震性能目标着手进行研究。1 工程概况北京地铁1 7号线工程北起昌平未来科技城,南至亦庄新城,是北京地铁规划线网中城市东部地区重要的轨道交通干线。盾构隧道采用外径6.4m、壁厚3 0c m、环宽1.2m的钢筋混凝土管片。本工程场地范围内的土层分为人工填土层(Qm l)、第四纪全新世冲洪积层(Q4a l+p l)、第四纪晚更新世冲洪积层(Q3a l+p l)。地下水分为上层滞水(一)、潜水(二)、层间潜水(三)、层间潜水承压水(四)和承压水(五)。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2 0g,设计地震分组为第二组,建筑场地类别按I I I类考虑,特征周期为0.5 5s。2 抗震性能目标分析抗震性能化设计相对于己有的立足于承载能力和变形能力的抗震设计而言,具有更强的针对性。结构的抗震性能通常与结构或构件的破坏程度息息相关,破坏程度可以用结构构件的各类性能指标(如弯矩、剪力、轴力、扭矩、层间位移角、扭转位移比、挠度等指标)表示。抗震性能化设计以现有的经济条件和科学水平为前提,要考虑抗震设防烈度、使用功能、发生地震破坏后的修复难度、损失大小、造价等多种因素。依据G B5 0 9 0 9-2 0 1 4 城市轨道交通结构抗震设计规范,本线轨道交通地下工程属重点设防类。在E 2地震作用下,需满足性能要求I:地震后不破坏或轻微破坏,应能保持其正常使用功能,结构处于弹性工作阶段,不应因结构的变形导致轨道的较大变形而影响行车安全,即中震弹性。在E 3地震作用下,需满足性能要求I I:地震后可能破坏,经修补,短期内应能恢复正常使用功能,结构局部进入弹塑性工作阶段,即大震局部弹塑性。3 E 2地震时程分析法数值模拟3.1 时程分析法原理时程分析法是盾构隧道等地下结构常用的抗震计算分析方法,时程分析法即结构直接动力法是普遍适用的一般方法,其基本原理为:采用地层-结构模型,将地震运动视为一个随时间而变化的过程,并将盾构隧道和周围岩土体介质视为共同受力变形的整体,通过直接输入地震加速度记录,在满足变形协调条件下分别计算隧道和岩土体介质在整个时刻的位移、速度、加速度,以及应变和内力,进而验算场地的稳定性和进行结构截面设计4。结构地震作用分析时,以地震动的时间过程作为输入,用数值积分求解运动方程,把输入时间过程分为许多足够小的时段,每个时段内的地震动变化假定是线性的,从初始状态开始逐个积分,每一时段的终止作为下一个时段积分的初始状态,直至地震结束,求出结构在地震作用下,从静止到振动,直至振动终止整个过程的反应(位移、速度、加速度)。主要的逐步积分法有:中点加速度法、线性加速度法、威尔逊法和纽马克法等5。盾构隧道下穿车站结构复杂,不宜采用平面模型进行分析,需要建立三维空间模型,真实反映结构实际受力特点6。3.2 计算模型采用地层-结构三维模型,根据计算分析需要,模型的尺寸XYZ=1 1 0m7 3.5m5 7.1m,模型节点数2 69 1 8个,单元数1 4 76 5 4个,计算模型见图1。模型中,土体采用修正摩尔-库仑弹塑性本构模型,采用四面体单元模拟,车站及区间主体均采用板单元模拟、弹性模型,车站梁、柱采用梁单元模拟、弹性模型。各土层参数见表1。图1 地层-结构模型网格图根据地震安评报告的内容及抗震设计条件,选取E 2地震下3条地震波。拟定地震波施加方向为三向同时输入,考虑垂直于区间轴线方向为主向即X向,各方向地震动参数(加速度峰值)选取比 例 为:X水 平 主 向(1.0 0)+Y水 平 次 向(0.8 5)+Z向(0.7 5)。表1 土层参数表岩土分层岩土名称内摩擦角/()黏聚力/k P a压缩模量/MP a素填土 1 081杂填土 1 001粉质黏土3 01 883粉砂 2 201 5粉质黏土2 52 292黏质粉土2 81 51 12粉砂 2 502 0黏质粉土3 02 01 1 根据动力时程分析中结构位移和内力的分布规律,选择区间结构上6个横断面进行相关数据结果考察,结构断面选取见图2,所选择的断面包括区间标准断面处及区间下穿既有车站处。图2 结构断面位置示意3.3 结构变形分析区间主体结构X向水平位移最大值为1 9.6 7mm,位移见图3,最大值位置发生在下穿断面拱顶处,隧道其他位置位移均小于下穿断面拱顶位移。区间主体结构Y向水平位移最大值为1 1.3 3mm,位移见图4,最大值位置发生在下穿断面拱顶处,隧道其他位置位移均小于下穿断面拱顶位移。182 0 2 3年第1期叶家强 丁静泽:基于时程分析法的地铁盾构隧道抗震设计对于常见的地上框架结构、剪力墙结构,一般采用弹性层间位移角作为结构的抗震变形验算参数。显而易见,层间位移角不适合作为圆形隧道结构的变形验算参数。对于盾构隧道的变形要求,目前的规范未作明确规定,可操作性不强。本文提出采用弹性直径变形率作为圆形隧道结构在性能I要求时的变形参数,并规定在E 2地震作用下,盾 构 隧 道 结 构 的 弹 性 直 径 变 形 率 限 值 为1/6 0 0。图3 E 2地震X向位移云图图4 E 2地震Y向位移云图为了便于统计结构最大径向位移差,选取每个断面上的2个不同位置,统计不同位置处的水平和竖直方向位移,再合成径向位移差,位移差选取位置见图5。各个工况下,径向位移差和直径变形率统计值见表2。图5 位移差计算选取位置表2 E 2地震下断面径向位移差及直径变形率位置断面径向位移差/mm工况1工况2工况3最大值直径变形率断面14.1 64.2 53.9 74.2 51/14 1 3断面24.0 34.0 13.8 64.0 31/15 8 8断面33.2 93.3 53.1 83.3 51/19 1 0断面43.2 33.2 13.0 33.2 31/19 8 1断面53.0 63.1 83.0 83.1 81/20 1 3断面62.9 93.1 13.0 23.1 11/20 5 8 由表2可知,断面上最大径向位移差为4.2 5mm,直径变形率最大值为1/14 1 3,直径变形率均小于限值1/6 0 0。3.4 结构内力分析针对6个断面,提取结构断面弯矩,6个断面的统计结果见表3。表3 E 2地震作用下各断面弯矩最大值 k Nm位置最大弯矩位置最大弯矩断面11 8 7.3 4断面41 3 2.7 3断面21 4 3.4 3断面51 4 8.0 8断面31 4 3.0 4断面61 3 0.3 0 结构最大弯矩值为1 8 7.3 4k Nm,根据此弯矩进行配筋,满足承载能力要求。在E 2地震作用下,结构受力及变形满足抗震性能I要求,即满足中震弹性要求。4 E 3地震时程分析法数值模拟E 3地震作用下计算模型同E 2地震作用下计算模型,根据地震安评报告的内容及抗震设计条件,选取E 3地震下的3条地震波,各方向地震动参数(加速度峰值)选取比例为:X水平主向(1.0 0)+Y水平次向(0.8 5)+Z向(0.7 5)。4.1 结构水平位移最大值工况4至工况6下,区间主体结构X向水平位移最大值为3 7.6 9mm,位移云图见图6,最大值位置一般发生在穿断面拱顶处,隧道其他位置位移均小于下穿断面拱顶位移。区间主体结构Y向水平位移最大值为2 2.1 5mm,位移见图7,最大值位置一般发生在下穿断面拱顶处,隧道其他位置位移均小于下穿断面拱顶位移。图6 E 3地震X向位移云图图7 E 3地震Y向位移云图4.2 直径变形率隧道径向位移差和直径变形率统计值见表4。参考G B5 0 9 0 9-2 0 1 4 城市轨道交通结构抗震设计规范,本文提出采用弹塑性直径变形率作28叶家强 丁静泽:基于时程分析法的地铁盾构隧道抗震设计2 0 2 3年第1期为圆形隧道结构在性能I I要求时的变形参数,并规定在E 3地震作用下,盾构隧道结构的弹塑性直径变形率限值为1/2 5 0。表4 E 3地震下断面径向位移差及直径变形率位置断面径向位移差/mm工况4工况5工况6最大值直径变形率断面17.1 97.3 26.9 97.3 21/8 7 4断面27.2 77.2 26.9 37.2 71/8 8 0断面36.1 16.1 55.9 06.1 51/10 4 1断面46.0 35.9 65.7 86.0 31/10 6 1断面56.1 86.1 35.8 76.1 81/10 3 6断面66.0 26.0 95.7 26.0 91/10 5 1 由表4可见,断面径向位移差及直径变形率最大值分别为7.3 2mm和1/8 7 4,直径变形率小于1/2 5 0。在E 3地震作用下,结构变形满足抗震性能I I要求,即满足大震局部弹塑性要求。5 结语1)地铁工程属重点设防类,在E 2地震作用下,需满足性能要求I,即中震弹性。在E 3地震作用下,需满足性能要求I I,即大震局部弹塑性。2)关于管片环的变形指标,建议采用直径变形率,性能要求I时的限值建议取1/6 0 0,性能要求I I时的限值建议取1/2 5 0。3)通过时程分析法数值模拟E 2地震作用下管片变形,得出本工程管片环直径变形率最大值为1/14 1 3,小于1/6 0 0,满足性能要求I。4)E 3地震作用下,结构