隧道縱向地震反應(yīng)分析方法及抗震性能研究

隧道結(jié)構(gòu)作為生命線工程的重要組成部分，一旦遭遇地震災(zāi)害，其破壞隱蔽、修復(fù)困難的弊端將會造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。本項目以隧道結(jié)構(gòu)為研究重點，采用理論分析和數(shù)值模擬手段對隧道等長線型地下結(jié)構(gòu)縱向抗震問題進行了深入研究。基于地震波斜入射時自由波場一維化時域算法，編制了非一致地震動輸入輔助程序，發(fā)展了非一致地震動輸入下隧道-地基系統(tǒng)動力時程分析方法；基于有限元離散化模型，完成了地下結(jié)構(gòu)橫向抗震分析整體式反應(yīng)位移法的理論推導(dǎo)；在此基礎(chǔ)上，提出了適用于隧道等長線型地下結(jié)構(gòu)縱向地震反應(yīng)分析的整體式反應(yīng)位移法，給出了根據(jù)自由場地震反應(yīng)確定隧道縱向最不利變形和內(nèi)力發(fā)生時刻的方法；并將此實用分析方法應(yīng)用于大空間隧道結(jié)構(gòu)以及埋置于非均勻場地中隧道結(jié)構(gòu)的縱向抗震問題。項目工作對于發(fā)展隧道結(jié)構(gòu)縱向地震反應(yīng)分析方法，提高隧道結(jié)構(gòu)地震安全性能、完善我國隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論均具有重要意義。 2100433B

隧道工程是重要的生命線工程，其抗震問題日益受到重視。本項目以隧道結(jié)構(gòu)為研究重點，采用理論分析和數(shù)值模擬手段對隧道抗震問題進行深入研究?；诘卣鸩ㄐ比肷鋾r自由波場計算方法，編制非一致地震動輸入輔助程序, 建立可考慮非一致地震動作用的隧道-地基系統(tǒng)動力相互作用分析模型，并以此發(fā)展非一致地震動作用下的隧道-地基動力有限元分析方法；對現(xiàn)有隧道縱向抗震實用分析方法進行綜合比較，并對傳統(tǒng)反應(yīng)位移法進行改進，提出一種適用于隧道縱向抗震分析的整體式反應(yīng)位移法；建立一種合理的模擬盾構(gòu)隧道中管片與接頭不連續(xù)性的分析模型，開展系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，研究盾構(gòu)隧道動力反應(yīng)影響參數(shù)、動力反應(yīng)規(guī)律和破壞機理，并初步提出適用于隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能量化指標體系。項目工作對發(fā)展合理而可靠的隧道縱向抗震分析方法及完善隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論均有重要意義。

目前，針對地下隧道橫斷面的地震反應(yīng)分析及簡化設(shè)計方法已發(fā)展得較為完善，但對于非一致地震作用下隧道縱向的地震反應(yīng)研究仍較少，有關(guān)理論和方法尚不完善，因而在抗震評估中難以有效判斷隧道縱向行波效應(yīng)對地下結(jié)構(gòu)安全性的影響。針對上述問題，本課題計劃通過梳理成層地基非一致地震反應(yīng)的一維化時域算法和波動輸入理論，完善非一致地震反應(yīng)場地的三維數(shù)值模擬技術(shù)，據(jù)此建立地基-地下隧道系統(tǒng)縱向動力反應(yīng)數(shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，分別針對由基巖向成層土地基斜入射的P波、SV波、SH波，以及地表附近形成的Rayleigh波條件下隧道縱向地震反應(yīng)特性進行系統(tǒng)的數(shù)值分析，綜合討論產(chǎn)生隧道縱向最不利地震反應(yīng)的影響因素，對已有隧道結(jié)構(gòu)抗震簡化設(shè)計方法提出改進建議。結(jié)合具體沉管隧道結(jié)構(gòu)進行縱向地震反應(yīng)非線性精細化數(shù)值模擬，研究沉管隧道結(jié)構(gòu)的整體地震反應(yīng)機理，對其抗震性能做出評價，并對類似沉管隧道工程提供參考。

非一致地震作用下隧道縱向地震反應(yīng)研究是進行隧道縱向行波效應(yīng)對地下結(jié)構(gòu)安全性影響的抗震評估的重要內(nèi)容。針對上述問題，本課題系統(tǒng)梳理了隧道縱向非一致地震反應(yīng)的數(shù)值計算方法。通過梳理了成層地基非一致地震反應(yīng)的一維化時域算法和波動輸入理論，完善非一致地震反應(yīng)場地的三維數(shù)值模擬技術(shù)，據(jù)此建立地基-地下隧道系統(tǒng)縱向動力反應(yīng)數(shù)值模型。通過數(shù)值算例驗算了該方法的有效性。本項目同時考慮到飽和地基土兩相介質(zhì)的特點基于u-U方程研發(fā)了用于動力問題的粘彈性傳輸邊界。運用上述方法分別針對由基巖向成層土地基斜入射的P波、SV波、SH波條件下隧道縱向地震反應(yīng)特性進行系統(tǒng)的數(shù)值分析，綜合討論產(chǎn)生隧道縱向最不利地震反應(yīng)的影響因素。本課題成果對進一步開展隧道縱向地震反應(yīng)非線性精細化數(shù)值模擬，研究沉管隧道結(jié)構(gòu)的整體地震反應(yīng)機理等工程問題具有重要的參考意義。 2100433B

本項目基于海底盾構(gòu)隧道特點，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗以及振動臺模型試驗等手段，開展海底盾構(gòu)隧道全壽命抗震性能研究。通過反應(yīng)位移法建立海底盾構(gòu)隧道單/雙層襯砌橫向分析模型，對比分析單、雙層襯砌在不同水平地震作用下隧道內(nèi)力的分布情況和變形規(guī)律,計算表明管片變形、彎矩、軸力呈反對稱分布在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，相同地震動水平時雙層襯砌地震附加總內(nèi)力值高于單層襯砌；建立復(fù)合式/疊合式雙層襯砌三維實體數(shù)值模型，開展地震作用下管片結(jié)構(gòu)與二次襯砌內(nèi)力及位移的分布特征分析，相同工況下，復(fù)合式襯砌管片的軸力、彎矩和二襯的彎矩均大于疊合式襯砌，復(fù)合式二襯的軸力小于疊合式二襯軸力；根據(jù)相似理論開展單、雙層襯砌模型地震響應(yīng)振動臺試驗，研究地震作用下單、雙層襯砌盾構(gòu)隧道跨越軟硬突變地層的縱向動力響應(yīng)特征，結(jié)果顯示：軟硬突變地層加速度響應(yīng)頻譜表現(xiàn)出與均勻地層顯著不同的“雙峰值”現(xiàn)象，管片縱向應(yīng)變峰值包絡(luò)線出現(xiàn)明顯的“三峰值”，結(jié)構(gòu)應(yīng)變受地層影響的區(qū)域分布于地層交界面兩側(cè)2.5-3.5倍隧道直徑范圍；建立海底盾構(gòu)隧道不同服役齡期地震響應(yīng)分析模型，導(dǎo)入不同荷載水平下，隨著氯離子侵蝕時間增長隧道結(jié)構(gòu)劣化的本構(gòu)模型，采用動力時程法分析隧道結(jié)構(gòu)劣化抗震性能，以隧道直徑變形率作為圓形盾構(gòu)隧道的性能量化指標，提出了適用于圓形盾構(gòu)隧道各性能水平的量化指標；開展隔震材料室內(nèi)試驗，瀝青系隔震層能夠有效降低襯砌拉、壓應(yīng)力及變形量，隔震層厚度分別為5cm、15cm及30cm時，對應(yīng)減震率為46.3%、50.4%和58.2%；采用數(shù)值模擬及振動臺試驗，對海底盾構(gòu)隧道交叉結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)特性進行研究，采用剛性連接時，主隧道縱向受影響范圍約為3倍橫通道寬度，柔性連接可降低結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)變和內(nèi)力，降低影響范圍至1.5-2倍。研究成果可為海底盾構(gòu)隧道的設(shè)計和施工提供重要參考，為今后大量海底盾構(gòu)隧道全壽命周期的健康服役提供理論和技術(shù)支撐。 2100433B