隧道结构的简化抗震计算方法-等代水平地震加速度法

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1、2009年集团公司青年科技论文专辑桥梁·隧道隧道结构的简化抗震计算方法——等代水平地震加速度法12,32,3余行黄茂松曹杰（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司城建院武汉430063；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海2000923.同济大学地下建筑与工程系上海200092）【摘要】地下结构的简化抗震方法往往不能很好的考虑土体与结构的相互作用而影响方法的精度和应用。本文介绍了一种能较好考虑相互作用的简化计算方法——等代水平地震加速度法，通过引入地面峰值加速度扩大了方法的应用范围，并研究了修

2、正地震系数的影响因素及波动范围，为等代水平地震加速度法的应用提供了参考依据。【关键词】地下结构抗震设计等代水平地震加速度法地下结构的存在会改变土体自由场的变形，对周[6]1前言围地基也有一定的影响，因而考虑土与结构的动力相互作用能够更合理的分析地下结构的地震响目前，地下结构的简化抗震方法主要有地震应，如何全面考虑土体与地下结构的相互作用是系数法、BART法、响应位移法、Shukla法、St.John影响简化抗震方法发展的一个难题。[1][2][3][7，8]法、Wang法、Penzien法等。地震系

3、数法将地杨林德和郑永来提出了等代水平地震加速震对结构物的影响视为结构物的质量产生的惯性度法，其采用静力计算模型，用修正水平地震加速力，并以外力的形式施加于结构上，不能考虑周围度的作用效应来等代地震动力响应，能比较全面考[4]地基的约束作用；BART法认为地下结构应具有虑土体与地下结构的相互作用，具有发展潜力。该吸收强变形的延性，假定地下结构屈从于地层受方法最大的问题是还不够成熟，特别是修正地震系形，忽略土与结构的相互作用，从而得到较大的变数不确定，给工程应用带来了不方便。形及应变；响应位移法把地基土

4、等效为各个方向本文拟通过分析隧道结构的地震响应来研究的弹簧，把自由场地的地震响应作为强制位移通等代水平地震加速度法中修正地震系数的取值，并过土弹簧施加作用于结构上，无法考虑地下结构研究其影响因素及波动范围。的惯性力对地震反应的影响；Shukla法和St.John法都对地基状况和输入运动作了大量简化，不能2等代水平地震加速度法简介真实反映地下结构与土的共同作用；Wang法和Penzien法从弹性力学圆孔边界问题推导了圆形等代水平地震加速度法是用修正水平地震加[8]隧道结构的地震响应，其忽略了结构与土体

5、之间速度的作用效应来等代地震动力响应，在文献中的惯性相互作用，只考虑两者之间的运动相互作杨林德等提出，在设防烈度为7度的情况下，对于用，通过引入相互作用系数对自由场变形进行修软土中典型地铁区间隧道，可采用如图1所示的均正求得隧道结构的受力和变形。研究结果表明，布修正水平地震加速度形式。[5]地下结构振动变形受周围地基的约束作用显著，铁道勘测与设计RAILWAYSURVEYANDDESIGN2010(5)57铁道勘测与设计3.2单元选择衬砌结构采用梁单元模拟，地基土采用四节点实体等参单元进行离散。假定

6、在线弹性范围内变化，不考虑土体的非线性；不考虑地基土与衬砌结构之间的脱离和相对滑动。粘弹性边界的施加是利用程序中的弹簧－阻尼单元，在每一节点处施加法向和切向的边界元件，如图2所示。由于ANSYS程序中的弹簧－阻尼单元利用的是集中阻尼和集中弹簧的概念，因此每个元件的阻尼系数和刚度系数要乘以该元件所在节点支配的长度。计算网格采用映射划分，整体有限元计算模型如图3所示。图1隧道结构等代修正水平地震加速度分布图图中，a为修正地震系数，0.1g为设防烈度为7度时地表峰值加速度。为了便于方法的推广，使得等代水平

7、地震加速度法能够适用于不同设防烈度建筑物的抗震计算，本文拟引入地面峰值加速度amax取代修正加速度中的0.1g。3隧道结构地震响应动力有限元分析3.1计算参数与边界条件图2粘弹性人工边界示意图地基土性采用长江隧道地质资料，具体参数见3表1。隧道衬砌结构参数：密度为2500kg/m，泊松比为0.2，弹性模量为25GPa，有效直径为8.5m，衬砌厚度为0.5m。表1土性参数表土层重度（kN/剪切波速动弹性模土层名称泊松比图3整体有限元模型编号m3）（m/s）量（Mpa）③1淤泥质粉质粘17.40.351

8、3230.3183.3地震动输入④淤泥质粘土16.80.3514535.322根据上海市的地震动参数区划结果，上海市的⑤2粘质粉土18.10.3018058.644抗震设防基本烈度为7度，按照Seed的建议，可等土体的计算深度取70m，上部边界为自由边效为地表最大反应0.1g(g为重力加速度，取界，底部边界取为固定边界。侧向边界以边界效2)。由于缺乏强震记录，上海目前尚无本地g=9.8m/s应的影响可忽略为目标，一般认为，计算宽度取区的实例地震动衰减规律可供计算分析参