盾构隧道抗震性能研究

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1、第28卷增刊2008年9月防灾减灾工程学报JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineeringV01．28Suppl．Sep．2008盾构隧道抗震性能研究’孔戈1，王绍博2(1．同济大学交通运输工程学院。上海200092；2．上海市地震局，上海200062)摘要：盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌，各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。动力有限元分析是研究地下结构抗震性能最为有效的方法，本文提出了一种分别衷解边界节点和内部节点的响应分割算法。以显式形式将多次透射

2、边界条件引入三维动力分析控制方程，同时考虑盾构隧道各接头的影响，采用将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁一弹簧模型。随后，对武汉长江盾构隧道工程段典型横断面进行了隧道地震响应分析，并对其地震安全性进行了评价。关键词：盾构隧道；地震响应分析；分割算法；多次透射边界；接头中图分类号：TU435；U455．43文献标识码：A文章编号：1672—2132(2008)增刊一0194—050引言近十几年来的几次大地震，尤其是1995年的阪神地震对地下结构造成的严重破坏[1]，使地下隧道的抗震性能研究日益受到社会各界的

3、重视。目前，地下结构抗震分析中常用的方法主要有：①震度法，也叫地震系数法(文献EI-I)。它是将地震对结构物的影响看作结构部件产生的惯性力，并将其以外力的形式施加于结构。研究表明，地下结构振动变形受周围地基的约束作用显著，自身的振动特性表现很不明显，因此惯性力并非影响结构响应的主要因素[2门]。②响应位移法。它忽略结构的惯性力，根据结构与周围地基的刚度比，把自由场地的地震响应作为强制位移，通过土弹簧或直接施加作用于结构(文献[1，23)[4]。该方法将场地等效为匀质弹性无限空间，采用的地震动输入一般是假定为简谐波的形式，与实际情

4、况不符，且其中有关计算参数(如波速、振幅、地弹簧系数等)的确定方法并不一致(文献El，2][5．钊，因而具有一定的主观性和随意性。同时，响应位移法也不能考虑两条或多条并行隧道在地震作用下的相互影响，而有关研究表明，当并行隧道的净距离小于隧道一倍直径时，衬砌内力相对于单一隧道情况会发生较大的变化，导致临近侧结构内力的增大c7]。③动力有限元方法。这是当前最为有效的地下结构地震响应分析方法，人工边界条件和地震动输入方法是实现这一方法的关键技术之一。目前应用较为广泛的动力人工边界条件主要有粘性边界￡8]、粘弹性边界和多次透射边界等。廖

5、振鹏等[91提出的多次透射边界条件，直接从单侧波动一般运动方程导出，物理概念明确，与波动方程和物理边界条件的特殊性无关，通过多阶透射能使其精度与有限元精度一致，并且具有时空解耦的显式表述形式，不增加原来问题刚度矩阵的维数。同时，它直接采用地震动位移作为输入，实现简便。目前，MTF(多次透射公式法)已建立了一整套完善的数值计算技术，具有良好的高频、低频稳定性，在各类工程中的应用日渐广泛。本文借助分割算法，将多次透射边界条件引入三维动力分析控制方程，并在文献Ei03、E113的基础上，提出了一套更合理的计算模型和计算方法，同时取相邻

6、三个管片环进行平面有限元建模，采用梁一弹性铰单元模拟管片环及管片横向接头，采用径向和法向剪切弹簧单元模拟错缝拼装时相邻环之间的剪切作用。地基土采用实体单元模拟，采用多次透射边界条件。然后，利用这种方法对武汉长江隧道工程盾构段进行了动力有限元分析，并对其地震安全性进行了评价。·收稿日期：2008-05—13；修回日期：2008—08一15基金项目：地震科学基金项目(A08045)资助作者简介：孔戈(1976一)，男，在站博士后。主要从事地震工程及结构抗震等方面的研究。Email：konggege@163．com镕“孔t等．*☆Ⅸm

7、M震t№w究1计算模型殛方法II有限元模型盾构隧道纵向采川通蛙拼装时．各环的变形特性是I}}i同的。如果沿隧道轴线方向舟环所受的荷载相同，则变形是一致的，各环之问也就没有相互约束作用．环问没有剪力的传递。而错缝拼装树砌，各环的管片接头位置不同，一环的纵缝接头相邻对应的是另一环的管片体，因此各环本身的变形特性是不同的。这种变形特性的不问，必然使棚邻管片环在荷载作用下产生相巨的约束．环缝址存在蚰力的传递，本文参考文献[11]中对错缝拼装盾构隧道静力分析时用剪坷弹簧模拟管片环问辨切作用的方法建立了多层二维平面升析模型；各个二维模型的地

8、基土网格划分，地震动输人都相同．而每十一维模型中的管片接土根据实际情况帛谩，相邻平面模型之Ⅵ仅通对设置于管片粱之上的梧向和切向剪切弹簧单元连接，如果是通缝拼装，各十二难模型完全相同，在同一地震作用下，动力响应也完全相同因此对应臀片梁节点问没有相对位移．剪切弹簧就