摘 要: 在采集和分析地铁震害类型的基础上,考虑了地震荷载作用下区间隧道的受力特点及软土和结构材料的动力特性,对软土地层中的地铁区间隧道的抗震设计方法进行了研究。内容包括:地铁区间隧道断面的地震响应计算,等代地震荷载的确定原则,以及在2 %、10 %和6312 %三种概率水准,上海市区典型区间隧道断面的等代地震荷载及其修正系数的确定等。有关成果对地铁区间隧道简化抗震设计方法的建立有参考价值。
引言
神户地震发生前,世界各国对地下结构震害的预防研究较少,原因主要是以往尚无地下结构因发生地震而遭受严重破坏的先例。神户地震(1995 年) 首次使地铁车站和区间隧道遭受严重破坏,由此开始引起人们对这类课题的关注,世界各国尤其是日本,许多大学教授和研究机构,纷纷针对区间隧道和地铁车站的震害类型,研究导致震害的主要原因,并据以建立分析理论和建议设计方法。如Takashi MATSUDA 等(1997)
[1 ] 在对上泽地铁站(Ka2 misawa Station) 震害调查的基础上,对该站的震害机理进行了研究;S.Nakamura 等(1997) [2 ] 从地层相对位移的角度对大开地铁站(Daikai Subway Station) 的破坏过程进行了分析研究。与此同时,人们对地层性质和结构构造变化对震害的影响也给予了关注, 认为这类因素易于导致结构发生纵向不均匀变形并由此导致震害。
[3 ] 对抗震设计 我国目前的地下铁道设计规范尚无具体规定,原因主要是研究工作开展不够,基础资料不足。
[4 ] 介绍了软土地下结构的抗震设计计算方法,其基本思路仍为静力法;
[5、6 ] 系统介绍了地下结构的抗震分析方法,并将其分为波动解法和相互作用解法(结构动力学法) 二类。
[7 ] 从地基震陷及接缝变形角度,按假想的3 种概率水准下的地震行波研究了区间隧道的抗震性能,
[8 ] 在对地震输入波和软土动力参数作假设的基础上,采用有效应力动力方法研究了软土隧道抗震稳定性。
上述成果对我国制定软土地铁结构抗震设计指南或规范显然还远远不够,可见在这一领域开展进一步研究具有重要的意义。本文在采集和分析地铁震害类型的基础上
[9 ] 对软土地层中地铁区间隧道的抗震设计研究确定等代地震荷载的方法,可为简化抗震设计计算方法的建立奠定基础对结构动力响应,本文拟同时采用结构动力学法和应力波法进行分析,以使结果可互相比较和验证。
2 地铁区间隧道地震响应的计算
211 有限元分析的计算简图
以上海地铁二号线陆家嘴站及石门一路站附近的区间隧道为例,前者地基土中含有液化层,后者则不含。为表述方便,以下将其分别称为区间隧道1 和区间隧道2。设计研究中将埋深取为平均值15m ,断面尺寸选为标准尺寸。
基金项目:上海市重点学科建设项目资助。
鉴于资料表明上海市区的地震以水平向震动为主,及对7 度设防地区结构仅需考虑横向振动的影响,以下计算拟仅主要考虑水平向地震波的作用。
21111 基本假定
进行动力有限元分析的基本假定为:
(1) 地震动时,地层深部的运动通过隧道下方某一深度处的基岩面向上传递,使位于基岩面上方的岩土介质连同其内埋藏的隧道衬砌结构对基岩面发生相对运动;
C1 6312 %概率
图1 区间隧道1
水平向地震波(第一个加速度)
(2) 基岩面定义为地震波速大于某一定值的界面;
(3) 土2隧道体系的地震惯性力可转化为离散化体系上的结点力。
(4) 基岩地震动输入取自上海市地震动参数小区划研究的成果[7 ] ,并由等效线性化一维土层地震反应计算程序LSSRL 计算获得基岩深度处(按钻孔深度取地表以下70m) 的未来50 年超越概率分别为6312 %、10 %和2 %的地震动加速度时程输入,每个概率下有3 个输入波,如图1、2 所示。
21112 计算区域与网格划分地铁区间隧道处于半无限体地层中,横剖面上左右和下方的边界均在无穷远处。鉴于计算机容量的限制,本文拟以边界效应的影响可予忽略为前提选取计算区域。上海地铁的区间隧道为双孔隧道,孔径D = 6. 2m ,两孔之间的中心距为13m ,故在水平向,拟将计算范围取为自隧道轴线起算向两侧各延伸215D ,总宽度为55m;竖向计算深度则取为70m。有限元分析中,计算域被离散为单元,如图3
C1 6312 %概率
图2 区间隧道2
水平向地震波(第一个加速度) 和图4 所示。
图中土层单元均为四边形四节点平面单元,隧道结构单元为厚0135m 的梁单元。力学性质不同的土层的界面均为单元的边界,在预计应力梯度很大的隧道附近的部位加密单元网格。
21113 边界条件和计算参数
静力问题分析中,对左右边界的结点假设存在水平向连杆,竖直方向可自由变形;底部边界结点为铰结点;上部边界为自由变形边界。采用结构动力学法计算时,鉴于地震输入为水。
此文曾发表于：《地下空间》2003年2期
原作者：郑永来 刘曙光 杨林德 童峰
