摘　要: 在采集和分析地鐵震害類型的基礎(chǔ)上,考慮了地震荷載作用下區(qū)間隧道的受力特點及軟土和結(jié)構(gòu)材料的動力特性,對軟土地層中的地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)計方法進(jìn)行了研究。內(nèi)容包括:地鐵區(qū)間隧道斷面的地震響應(yīng)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(zhǔn),上海市區(qū)典型區(qū)間隧道斷面的等代地震荷載及其修正系數(shù)的確定等。有關(guān)成果對地鐵區(qū)間隧道簡化抗震設(shè)計方法的建立有參考價值。
引言
神戶地震發(fā)生前,世界各國對地下結(jié)構(gòu)震害的預(yù)防研究較少,原因主要是以往尚無地下結(jié)構(gòu)因發(fā)生地震而遭受嚴(yán)重破壞的先例。神戶地震(1995 年) 首次使地鐵車站和區(qū)間隧道遭受嚴(yán)重破壞,由此開始引起人們對這類課題的關(guān)注,世界各國尤其是日本,許多大學(xué)教授和研究機(jī)構(gòu),紛紛針對區(qū)間隧道和地鐵車站的震害類型,研究導(dǎo)致震害的主要原因,并據(jù)以建立分析理論和建議設(shè)計方法。如Takashi MATSUDA 等(1997)
[1 ] 在對上澤地鐵站(Ka2 misawa Station) 震害調(diào)查的基礎(chǔ)上,對該站的震害機(jī)理進(jìn)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(jìn)行了分析研究。與此同時,人們對地層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化對震害的影響也給予了關(guān)注, 認(rèn)為這類因素易于導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向不均勻變形并由此導(dǎo)致震害。
[3 ] 對抗震設(shè)計 我國目前的地下鐵道設(shè)計規(guī)范尚無具體規(guī)定,原因主要是研究工作開展不夠,基礎(chǔ)資料不足。
[4 ] 介紹了軟土地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計計算方法,其基本思路仍為靜力法;
[5、6 ] 系統(tǒng)介紹了地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法,并將其分為波動解法和相互作用解法(結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(zhǔn)下的地震行波研究了區(qū)間隧道的抗震性能,
[8 ] 在對地震輸入波和軟土動力參數(shù)作假設(shè)的基礎(chǔ)上,采用有效應(yīng)力動力方法研究了軟土隧道抗震穩(wěn)定性。
上述成果對我國制定軟土地鐵結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南或規(guī)范顯然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,可見在這一領(lǐng)域開展進(jìn)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(chǔ)上
[9 ] 對軟土地層中地鐵區(qū)間隧道的抗震設(shè)計研究確定等代地震荷載的方法,可為簡化抗震設(shè)計計算方法的建立奠定基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng),本文擬同時采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)法和應(yīng)力波法進(jìn)行分析,以使結(jié)果可互相比較和驗證。
2 　地鐵區(qū)間隧道地震響應(yīng)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(qū)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(qū)間隧道1 和區(qū)間隧道2。設(shè)計研究中將埋深取為平均值15m ,斷面尺寸選為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。
基金項目:上海市重點學(xué)科建設(shè)項目資助。
鑒于資料表明上海市區(qū)的地震以水平向震動為主,及對7 度設(shè)防地區(qū)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yùn)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(zhì)連同其內(nèi)埋藏的隧道襯砌結(jié)構(gòu)對基巖面發(fā)生相對運(yùn)動;
C1 　6312 %概率
圖1 　區(qū)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(zhuǎn)化為離散化體系上的結(jié)點力。
(4) 基巖地震動輸入取自上海市地震動參數(shù)小區(qū)劃研究的成果[7 ] ,并由等效線性化一維土層地震反應(yīng)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(qū)域與網(wǎng)格劃分地鐵區(qū)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(yuǎn)處。鑒于計算機(jī)容量的限制,本文擬以邊界效應(yīng)的影響可予忽略為前提選取計算區(qū)域。上海地鐵的區(qū)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(cè)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(qū)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(jié)點平面單元,隧道結(jié)構(gòu)單元為厚0135m 的梁單元。力學(xué)性質(zhì)不同的土層的界面均為單元的邊界,在預(yù)計應(yīng)力梯度很大的隧道附近的部位加密單元網(wǎng)格。
21113 　邊界條件和計算參數(shù)
靜力問題分析中,對左右邊界的結(jié)點假設(shè)存在水平向連桿,豎直方向可自由變形;底部邊界結(jié)點為鉸結(jié)點;上部邊界為自由變形邊界。采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)法計算時,鑒于地震輸入為水。

此文曾發(fā)表于：《地下空間》2003年2期

原作者：鄭永來 劉曙光 楊林德 童峰