（岩土工程专业论文）地铁地下结构地震响应分析.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 扣喀 日期：汐l 。年r 月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密渺 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： ， 勘乜可 王f 朗才 日期：工o l 年 日期：剐睥 f 月w 日 r 月f 日 浙江工业夕：掌硕十学位论文 地铁地下结构地震响宦分析 题目：地铁地下结构地震响应分析 摘要 近几年来随着城市人口的迅速增长，城市交通拥挤问题越来越严重，地铁是 解决城市交通问题的重要途径之一。然而，大量的震害表明：地铁等地下结构并 非如人们想象的那么安全可靠，也会在地震等动荷载下遭受破坏和坍塌。因此， 研究土地下结构的动接触问题、粘弹性动力人工边界与基线漂移及其在有限元 中的实现，并结合具体的大开地铁车站和杭州软土地区地铁区间隧道进行地下结 构地震数值模拟，分析地下结构的地震响应，对地铁等地下结构的抗震设计具有 重要的意义。 在前人研究工作的基础上，本文采用三维有限元a d i n a 软件对大开地铁车 站和杭州地铁1 号线某区间隧道进行地震反应分析，其主要研究内容如下： ( 1 1 随着有限元法及计算机技术的发展，对接触的全过程进行计算机数值模 拟已经能够实现，这为分析土结构的动力非线性相互作用问题供了有力的工具， 本文介绍了动接触数值计算方法的基本理论和应用情况： ( 2 ) 目前，粘弹性动力人工边界是应用较广泛的一种局部人工边界，它可以 吸收射向人工边界的波动能量和反射波的散射，从而达到到消除能量反射的目 的。由于粘弹性动力人工边界在有限元软件中易于实现，本文研究了如何在 a d i n a 软件中实现粘弹性动力人工边界的地震波输入，并验证其可靠性，但此 时需要输入地震波的位移和速度时程； ( 3 ) 加速度记录中通常有一些长周期分量的存在，积分后会导致速度和位移 时程产生严重的漂移现象。因此，在论文第二章中还研究了漂移的原理以及实现 基线漂移的校正方法； ( 4 ) 考虑土与结构间的接触作用建立了大开地铁车站有限元模型，研究地震 作用下土结构间相互作用机理、荷载传递机理以及结构本身的破坏机理；合理 地解释了大开地铁车站的主要震害现象。同时，通过该算例也验证了本文建立的 土一地下结构非线性动力相互作用分析模型和计算方法的可靠性； ( 5 ) 进一步分析了杭州地铁区间隧道的地震反应规律，总结了地铁地下结构 的地震反应特性，给出了隧道地震反应的计算结果以及衬砌变形受力的变化规 律，给软土地区地铁隧道的抗震设计提供了有一定价值的参考依据。 关键词：地铁车站；地铁区间隧道；动接触；粘弹性动力人工边界；地震响应 第1 页 浙江工业大学硕十学位论文地铁地下结均地震响应分析 a n a i j y s i so fs e i s m i cr e s p o n s eo f u n d e r g r o u n ds u b ，a ys t r u c t u r e s a b s t r a c t w i t l lm er a p i d 伊o w mo fu r b a np o p u l a t i o ni nr e c e n ty e a r s ，u r b a i l 仃a 伍c c o n g e s t i o np r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r es 甜o u s ，a i l ds u b w a yi so n eo ft h em o s t i m p o n a n tw a y st os o l v eu r b a i lt r a 伍cp r o b l e m s h o w e v e r ，m a n ye a n h q u a k ed i s a s t e r s i 芏l d i c a t et l l a tu 1 1 d e r g r o u n ds u b w a ys t m c n 玳sa r en o ta ss a f ea sp e o p l et h j n k ，a n dc a n a l s o 妇a g ea n dc o l l 印s el u l d e rd y l l 枷c1 0 a d i n g ss u c ha se 硼h q u a k ed a m a g e ，e ta 1 t h e r e f o r e ，i th a sv e r yi m p o r t a i l ts i 嘶f i c a n c eo nt h es e i s 面cd e s i 印o fm l d e r 乒o u n d s 仃u c t u r e ss u c ha ss u b w a yt os t u d yt l l ed y n 砌cc o n t a c tp r o b l e m so fs o i l 一m l d e r 黟o u l l d s 诅j c t u r e ，t h ed y n a r 血cv i s c o u s - s p r i n ga r t i 6 c i a lb o u n d a r ) 0t 1 1 eb a s e l m ed r i ra n di t s i r n p l e m e n t a t i o ni nt h ef i m t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt oa n a l ) ，z em es e i s n l i cr e s p o n s eo f u n d e r g r o u n ds t n l c t u r e sw i t hm ec o m b i l l a t i o no fm em n 甜c a ls e i s i i n i cs i m u l a t i o n so f m eu 1 1 d e 唱r o l l l l ds t m c n i r eo fd a k a is u b w a ys t a t i o na i l do fc e n a i nt i l n n e ls e c t i o no f h a l l g z h o um e t r os u b w a y l i n ej f j 1i 1 1s o f ts o i l s b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，t 1 1 i sm e s i si n v e s t i g a t e s 也es e i s 觚cr e s p o n s eo f d a k a is u b w a ys t a t i o na n dc e n a i nt u i l i l e ls e c t i o no fh a l l g z h o um e 打os u b w a yl i i l e 1 u s i i l gt 王l r e ed i m e l l s i o n a lf i i l i t ee i e m e n ta d i n a s o 细a r ea 工l dt h em a i nc o n t e n t sa r ea s f 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i l l i t ee i e m e mm e t h o da n dt 1 1 ec o m p u t e rt e c h n o i o 既 t h ew h o l ep r o c e s sn u m 嘶c a ls i i n u l a t i o n0 ft h ec o n 证虻t l l s i n gc o m p u t e r sc a nb e a c 王l i e v e d ，w 1 1 i c hp r o v i d eap o w e r f u l t o o lt o a i l a l y z et 1 1 e s o i l s t n j c m r ed y l l 枷c n o n l i n e a ri m e r a c t i o i l s t l l i s 1 e s i si 1 1 t r o d u c e st h eb a s i ct 1 1 e o r ya n d 印p l i c a t i o n so ft h e n 啪e 打c a lm e t h o do fm ed y n a m i cc o n t a c t ( 2 ) a tp r e s e n t ，t l l ed y n a r n i cv i s c o u s s p r i n ga r t i f i c i a lb o u n d 暑町i so n eo ft h em o s t a p p l i e d1 0 c a la n i f i c i a 】b o u n d 撕e s ，w 1 1 i c hc a l la b s o r bt h ew a v ee n e 留7p r o p a g a t e dt o t h ea r t i f i c i a lb o u n d a f ya n dt h ed i s p e r s i o no ft h er e f l e c t e dw a v es o2 l st oe l i m i n a l et h e r e f l e c t e d e n e r j 弭 a st h ed ) ，1 1 删c v i s c o u s s p r i n g a n i f i c i a lb o u n d a r ) ，i se a s yt o i m p l 锄e n ti i l 也ef i l l i t ee l e m e n tp r o 伊a m ，t 1 1 i st h e s i si n v e s t i g a t e sh o wt 0i m p l e m e n t t 1 1 ev i s c o u s s p r i l l gd ) ，1 1 a i l l i ca n i f i c i a lb o u n d a r i e so fs e i s i l l i cw a v e si n p u ti ns o r w a r e 第1 i 页 浙汪工业大学硕十学位论文地铁地下结构地震响应分析 a d i n a ，a u l dv e r i f yi t sr e l i a b i l 时w i 也t l l ei n p 位o f t h ed i s p l a c e m e n to fs e i s r n j cw a v e s a i l dv e l o c l t yt l m e1 1 i s t o 巧 ( 3 ) nu s u a l l yh a ss o m el o n g - p e n o dc o i l l p o n e n t s i i l 也ea c c e l e r a t i o nr e c o r d s ， w h e r et 1 1 ev e l o c i t ya 1 1 dd i s p l a c e m e n tt i m e1 1 i s t o 巧c a nc a u s es e o u s “ni fi n t e g r a t e d t h e r e f o r e ，t l l es e c o n dc h 印t e ro ft 1 1 i st h e s i sa l s os t u d i e st h ed r i rt h e o r ya 1 1 dm e m e t h o do fc o 盯e c t i n gb a s e l i n e 埘r ( 4 ) c o n s i d e r i n gm ec o n t a c tb e 眦e e ns o i la n ds t n l c t u r e ，t 量l ef i i l i t ee l e m e n tm o d e l o fd a i k a is u b w a ys t a t i o ni se s t a b l i s h e dt 0 s t u d yt 1 1 e s o i l s t l l l c t u r ei n t e r a c t i o n m e c h a l l i s m ，1 0 a d s f e rm e c h a i l i s ma n dm es 劬c n l r ef 撕l u r em e c h a 血s mi t s e l fi m d e r s e i s m ，w h e r et h er a t i o n a le x p l a n a t i o n sa r ep r o v i d e df o rt h em a i n 咖a g eo fd a i k a i s u b w a ys t a t i o n m e a n w h i l e ，t h ee x 锄p l e sa l s ov e r i 毋r e l i a b i l i t yo fn o n l i n e a rd y n 锄i c i n t e r a c t i o nm o d e la n dn 啪e r i c a lm e t h o do ft 1 1 es o i l 一u n d e r 笋o m l ds t m c t u r et h i st h e s i s e s t a b l i s h e d ( 5 ) f i l l a j l y ，t 1 1 i st h e s i sa n a l y z e st h es e i s i 】血cr e s p o n s eo fm eh a n g z h o um e t r o t u n n e l ， s u 加m a r i z e st h e s u b w a ys e i s 商cr e s p o n s eo ft h es u b w a yu n d e r 伊o u n d s t m c m r e s ，a n dp r o v i d e st h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h e 劬 1 1 1 e 1s e i s m i cr e s p o n s ea n dt h e c h a n g el a wo ft h ed e f o m “o na n df o r c eo ft h et t m n e ll i l l i n g ，w h i c hc a i lh a v ec e r t a i l l v a l u a b l er e f e r e n c ef o rt 1 1 es e i s 血cd e s i 印o fs u b w a y 咖e l sms o rs o i l s k e y w o r d s ：s u b w a ys t a t i o n ； m e t r ot i i n n e l ； d y n a i n i cc o n t a c t ；d y n a i n i c 、，i s c o u s s p r i n ga r t i 6 c i a lb o u n d a r y ；s e i s m i cr e s p o n s e 第1 1 1 页 浙迂丁业了：学硕学位论文地钱地下结均地震响市分析 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 论文选题的背景和意义1 1 2 地下结构地震反应特点2 1 3 地下结构抗震设计的研究现状3 1 3 1 引言3 1 3 2原型观测3 1 3 3模型试验4 1 3 - 4 理论分析6 1 4 发展趋势一1o 1 5 本文主要研究内容1 0 第二章地下结构动力响应理论基础1 1 2 1动接触问题的数值计算方法1 1 2 1 1 引言1 1 2 1 2 动接触问题的各种数值算法1 1 2 2 动力人工边界1 3 2 2 1 粘性动力人工边界1 4 2 2 2 粘弹性动力人工边界15 2 3 粘弹性动力人工边界中的波动输入2 0 2 3 1地震作用下的人工边界运动方程2 0 2 3 2 等效地震的计算2 1 2 3 3地震波输入方法验证2 2 2 4 地震波的数据处理2 3 2 4 1地震波的选取2 3 2 4 2 地震积分时程的均值基线漂移现象2 4 2 4 3时域校正研究及其应用2 5 2 5本章小结2 7 第三章1 9 9 5 年大开地铁车站地震反应分析。2 9 3 1 引言2 9 3 2 阪神地震简介3 0 3 3 大开地铁车站的破坏情况3 2 3 3 1神户市地铁系统的破坏3 2 3 3 2 大开车站三个断面3 2 3 3 3地质地理条件3 5 3 3 4强地震运动记录3 5 3 3 5 大开车站的修复3 7 3 4 数值分析3 8 3 4 1土体本构模型3 9 第1 v 页 浙江丁业大学硕士学位论文地铁地下结均地震响i 童分析 3 4 2 地铁车站破坏评估4 2 3 4 3 结构性质对比4 6 3 4 4 。土结构接触面反应评估5 0 3 5本章小结5 4 第四章杭州地铁隧道地震反应分析5 5 4 1工程概况5 5 4 1 1自然地理位置及气候条件5 5 4 1 2 地基土的构成与特征5 6 4 1 3 工程地质条件5 7 4 1 4 区域构造5 8 4 1 5 场地地震效应5 8 4 2 模型建立5 9 4 2 1计算假定5 9 4 2 2 建模过程5 9 4 3 计算结果分析6 1 4 3 1静力分析61 4 3 2 动力分析6 2 4 4 本章小结6 5 第五章结论与展望6 7 5 1 主要结论6 7 5 2 存在的不足与展望6 8 参考文献7 0 j 曳谢7 5 第v 页 浙汪工业大学硕七学伊论文 地钱地下结均地震响市分析 第一章绪论 1 1 论文选题的背景和意义 近年来，随着我国经济的高速增长，城市轨道交通得到了飞速发展。然而， 随着城市人口的不断膨胀，城市的交通拥挤问题日趋严重，以地铁为主的城市轨 道交通无疑是解决该问题的重要途径【l j ；同时，地铁又兼具城市人防工程的作用， 担负着重要的社会功能。最近几年来我国的地铁建设得到迅猛发展。根据北京轨 道交通的短期规划，至2 0 0 8 年北京己建成3 0 0k m 的城市快轨，其中地铁是轨道 交通的主要形式。上海在未来2 0 年将建成6 5 0k m 的1 1 条城市轨道网线，并计 划把城市轨道交通延伸到整个长三角地区。至2 0 5 0 年，杭州将建成总长2 7 8k m 的8 条地铁线路，一期( 至2 0 1 0 年建成) 由1 号线和2 号线组成，线网总长8 2 2 衄。 宁波市规划在2 0 0 8 2 0 1 5 年间，建成轨道交通1 号线和2 号线一期工程( 地铁) ， 建设线路总长7 2 1 虹，总投资超过3 0 0 亿元。根据我国城市化的发展趋势，地 铁轨道交通将成为我国大城市地下空间开发与利用的重点工程。 地铁地下结构在近百年的运行周期内不可避免地会遭遇一些自然灾害的作 用。一般认为，地下结构受周围土体约束，具有良好的抗震性能。但多次地震灾 害现象显示：现有的地下结构并不安全，有时甚至会发生严重破坏。如1 9 8 5 年 墨西哥8 1 级地震中，建在软弱地基上的地铁侧墙与地表结构相交部位发生分离 破坏现象。1 9 9 5 年日本7 2 级阪神地震【2 】对神户市地下结构造成了有史以来最为 严重的破坏，地铁、地下停车场、地下隧道、地下商业街等大量地下结构均发生 了严重破坏。特别是地铁车站和地铁区间隧道的破坏，共有5 个地铁车站和约3 k m 的地铁区间隧道发生破坏，其中大开地铁车站的破坏最为严重。1 9 9 9 年台湾 7 3 级集集地震【3 】对地下结构也造成了一定的影响，其中隧道衬砌的断裂最多， 其次为洞口边坡坍滑；而位处车笼埔断层西侧下盘及其他地区，受损隧道中以三 义一号铁路隧道最为严重，造成轨道扭曲变形、衬砌龟裂、掉落等现象，导致山 线铁路中断达1 7 日之久。 地铁地下结构的震害教训说明：随着城市地下空间的大规模开发和利用，在 大城市发生强震时，由于地下结构周围土体的变形可能会很大，从而导致地下结 构的一些薄弱环节发生严重的震害，给地下结构的整体安全造成严重的影响；同 时，由于地铁延伸范围宽广，地铁沿线场地条件复杂多变，主要包括场地土类的 差异、砂性土液化、软土震陷、塌陷、构造裂隙和岸边滑移等，这些因素直接影 响地震时地铁地下结构遭受地震作用的大小和方式，对地铁地下结构的破坏形式 有着重要影响。 第1 页 浙江t 业大掌硕j j 学位论文地钞地下结构地震晌市分析 我国在地铁地下结构抗震方面的研究还相当滞后，迄今为上e ，还没有建立起 地铁地下结构抗震设计的科学方法。在人防工程设计规范( g b 5 0 2 2 5 9 5 ) 、人 民防空地下室设计规范( g b 5 0 0 3 8 9 4 ) 中均没有考虑地震作用的影响：混凝土 结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 、建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) ( 2 0 0 8 版) 与地铁设计规范( g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ) 中，也没有具体规定地下工程( 地铁区间隧 道及车站结构) 如何进行抗震设计。因此，地铁地下结构的抗震性态已成为亟待 研究的重要课题，地震时地铁地下结构的安全问题已成为大城市抗震防灾工作的 重要组成部分。 1 2 地下结构地震反应特点 地震作用下，地下结构与地面结构的振动特性有很大的不同，其主要区别如 下【4 】= ( 1 ) 地下结构的振动变形受周围地基土的约束作用显著，结构的动力反应一 般不明显表现出自振特性的影响。而地面结构的动力反应则明显表现出自振特 性，特别是低阶模态的影响。 ( 2 ) 地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般很小( 指地下结构的尺寸 相对于地震波长的比例较小的情况) ，而地面结构的存在则对该处自由场的地震 动发生较大的扰动。 ( 3 ) 地下结构的振动形态受地震波入射方向变化的影响较大。地震波入射方 向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力就可以发生较大的变化，地面结 构的振动形态受地震波入射方向的影响则较小。 ( 4 ) 一般而言，地下结构在振动中的主要应变与地震加速度大小的连续不很 明显，但与周围岩土介质在地震作用下的应变或变形关系密切。对地面结构来说， 地震加速度是影响结构动力反应大小的一个重要因素。 f 5 ) 地下结构在振动中各点的相位差十分明显，地面结构各点在振动中的相 位差不明显。 ( 6 ) 地下结构的地震反应随埋深的变化不明显。对地面结构来说，埋深则是 影响地震反应大小的一个重要因素。 ( 7 ) 对地下结构和地面结构来说，它们与地基的相互作用都对其动力反应产 生重要的影响，但影响的方式和程度则是不相同的。 总的看来，对地面结构和地下结构来说，虽然结构的自振特性与地基振动对 结构动力反应产生重要的影响，但对地面结构来说，结构的形状、质量、刚度的 变化，即自振周期的变化，对结构反应的影响很大，可以引起质的变化；而对地 下结构来说，对反应起主要作用的因素是地基的运动特性。一般来说，结构形状 的改变，对反应的影响相对较小，仅产生量的变化。因此，在当前的研究工作中， 第2 页 浙江工业，：学硕t 学位论文 地钱地下结构地震响童分析 对地面结构来说，结构自振特性酊研究占很大的比例；而对地下结构来说，地基 地震动的研究则占比较大的比重。 1 3 地下结构抗震设计的研究现状 1 3 1 引言 目前研究地下结构抗震性能的主要途径有：原型观测、模型试验和理论分析。 由于问题的极其复杂性，目前还没有哪一种手段能对地下结构动力反应进行全面 而真实的解释和模拟。一般是通过原型观测和模型试验来部分地或定性地再现实 际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果，在此基 础上建立合理地能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型，发展相应的数 值分析方法；再通过模型试验和原型观测结果加以验证。然后对不同抗震设计方 案进行计算分析，尽可能地再现和模拟其实际动力反应，研究其抗震性能，提出 相应的抗震对策。这是研究和评价地下结构抗震性能的较为合理的途径。 1 3 2 原型观测 地震观测通过现场实地量测，研究地下铁道在地震过程中所表现出的各种动 力特性。地震观测研究结论直观，具有一定的参考价值。目前这方面的资料收集 正在不断增加，尤其是1 9 9 5 年日本阪神大地震发生后，国内外科研工作者进行 了广泛的现场震害调查，收集了大量有益的资料。 冈本舜三( 1 9 8 4 ) 【5 根据日本隧道地震损害的调查资料，得出了隧道免遭地震 动力破损应距震源的安全距离为5 0k m ，总结了隧道地震损害与衬砌厚度、岩土 介质条件的关系。s h a n n a 和j u d d ( 1 9 9 1 ) 6 】概括了世界上8 5 次地震中对地下洞室 影响的1 9 2 份定性报道，并把这些资料汇编成数据库，确定出地震可能影响地下 工程的一些有意义的因素，如覆盖层、主要岩石类型、支衬形式、地理位置、相 应地震震级和震中距，并在峰值地面加速度、覆盖层厚度与破坏程度之间的相关 关系研究方面取得了新的进展。1 9 9 5 年的阪神地震【7 j 对开挖式施工的地铁工程造 成了严重的震害。地铁车站的破坏主要是东西线的大开车站，遭受的破坏主要发 生在中柱，地震中3 5 根钢筋混凝土柱中有3 0 根完全破坏，柱子被完全压碎，钢 筋被压弯鼓出外露，许多箍筋也完全破坏。柱子的破坏有两种类型，一类破坏在 柱脚处，柱子被压碎鼓胀；另一类破坏在柱子与顶板连接处，柱子被压碎鼓胀。 其余的柱子也发生破坏，混凝土剥落，钢筋外露。侧墙出现了水平裂缝和斜裂缝， 这是由于中柱的破坏而引起的次生破坏，其破坏程度比中柱要轻，没有发现漏水 第3 页 浙汪t 业大学硕十学位论文 地钞地下结均地震响t 分析 现象：p o w e r 和r o s i d i ( 1 9 9 8 ) 【8 】等收集了2 1 7 个地下结构的震害实例，在此基础 上，进一步完善了s h 锄a 和j u d d 的研究工作。 1 9 7 6 年的唐山大地震【9 1 ，中国地震工程技术人员深入地震现场，进行了广泛 的调查研究和经验总结。对唐山市( v 度、度) 和天津市宁河县等的地下人防工 程进行了调查，得出典型的震害特征：1 ) 地下人防工程的震害比同一地区的地 面建筑轻得多。2 ) 深埋的地下工程比浅埋的震害轻。3 ) 位于地质条件较好的岩、 土层中的地下工程较位于松软地层中的震害要轻。4 ) 防空地下室比人防地道的 破坏轻。5 ) 人防地道接头部位产生裂缝较多，是人防地道工程的薄弱环节。6 ) 天 津市人防地道的裂缝大多为环向裂缝，纵向裂缝较少。7 ) 唐山市的人防地道内 地坪拱起现象较多。8 ) 建于河、海岸边的人防地道破坏较严重。9 ) 在相同地质 条件下，建在地下室上面的地面建筑比无地下室的地面建筑震害轻。1 9 9 9 年台 湾集集地震后【1 0 1 ，工程技术人员对总共5 7 座隧道作出的系统调查后发现，4 9 座 隧道受到了衬砌混凝土块龟裂、掉落甚至钢筋弯曲等不同程度的破坏。台湾中部 距离发震断层2 5k m 范围内的4 4 座受损隧道中，严重受损者占2 5 ，中等受损 者占2 0 ，轻微受损者占5 5 ，并且隧道的破坏与地质条件、隧道结构等多种 因素有关。2 0 0 8 年汶川地震以后，在同济大学土木工程防灾国家重点实验室牵 头下，联合多个试验机构，对汶川地震灾区进行了实地考察1 1 1 | 。通过汇总考察隧 道的表观震害，初步得出一些结论：汶川地震中，隧道没有出现垮塌，强震作用 下隧道不仅在洞口会发生损害，洞身和隧道路面也会出现震害。震害的程度不仅 与隧道所处位置( 如震中距) 有关，还与隧道地质条件、隧道结构形式等有密切的 关联。因此，应当重视隧道结构的抗震研究，理清强地震作用下的隧道震害机理 以及隧道结构的抗震性能，以保障地质灾害等临时基础设施能安全有效地运转。 1 3 3 模型试验 随着地下结构抗震稳定性问题日益受到关注，土地下结构相互作用的研究 得到不断深入，目前己建立了地下结构地震响应的计算方法，但不同研究者采用 不同的简化假设建立了不同的计算方法，取得的结果也各不相同。为了验证理论 计算模型的合理性和分析土结构相互作用机制，模型试验便成为一种不可缺少 的试验技术手段。 该法一般是通过激震试验来研究地下结构的响应特性，可分为人工震源和振 动台实试验。一般而言，由于前者较难反映结构的非线性及地基断裂等因素对隧 道结构地震反应的影响，故用的不多。而振动台实验则可以较好地考虑这方面的 因素，因此被广泛采用。通过试验，人们可以更好地掌握地下隧道结构的工作特 性，进而为抗震分析的理论发展奠定基础。但是该法在实验区域的选择和地基特 性的模拟方面还有待进一步深入研究。 第4 页 浙迂t 业，：学硕j 学位论文地铁地下结构地震响吨分析 g o t o 和o 倒1 9 7 3 ) 【1 2 对沉埋隧道在地震时的反应做了振动台模拟试验，隧道 结构模型的形式为8c m 8c m 方形橡胶管。模型箱采用刚性材料制作，平面尺寸 为1 5m 1 om ，采用明胶模拟砂土，但试验中没有考虑尺寸效应和边界效应等 对试验结果的影响。o k 锄o t o ( 1 9 7 3 ) 纠等人亦对沉埋隧道的地震反应进行了振动 台试验研究。隧道结构模型采用硅橡胶制作，模型比例为1 ：2 5 0 。场地土采用明 胶模拟，模型箱平面尺寸为2 2m 1 om 。采用硅橡胶和明胶制作模型的主要原 因是这两类材料的弹性模量非常小，易于量测试验时模型的位移和应变值，且这 些材料易于加工。上世纪9 0 年代初，美国发展了大型模型的抗震试验技术，如 可进行6 个自由度振动，用计算机控制模拟地震荷载等一些大型模拟实验。通过 模型实验使人们能更好地了解和掌握地下结构的工作特性，为抗震理论的发展奠 定了基础。但是振动台实验对实验区域的选择和地基特性的模拟等关键问题还存 在不同程度的困难。离心机振动台试验【m 】【”】通过增加模型的场地加速度，可以 模拟出与原型相等或相近的应力水平，逼真重现原型的物理特性，在再现动力反 应、观测物理机制、检验评价方法以及对比设计方案等方面具有突出的优越性， 在欧美、日本等发达国家得到了广泛的应用。 2 0 世纪8 0 年代末，我国铁科院铁建所开展了利用振动台输入地震波的隧道模 型试验【1 6 ，进行了强地震作用下铁路隧道衬砌耐震性的研究，获得了一些有价 值的试验数据，为以后的隧道等地下结构抗震设计提供了有利的参考。徐志英和 施善云( 1 9 9 3 ) 在大型振动台上进行了土地下结构动力相互作用的试验。地下 结构模型为用加重乳胶制成的方形管道，其断面尺寸为2 4c m 2 4c m ，长1 2 0c m ， 壁厚2 5c m 。模型结构埋置在刚性模型箱内的砂土中，模型箱尺寸为3 6 0c m x l 2 0 c m 1 0 0c m 。结构模型上覆砂层厚3 5c m ，下部砂层厚2 6c m ，其纵轴线位于容器 长边的中心线上。用简谐波沿垂直于结构纵轴线的水平方向激振。假设埋入的结 构模型无端部影响，将模型简化为平面应变问题进行分析。史常青( 1 9 9 6 ) 驯采用 石膏、乳胶和水的混合物制成单层双柱地铁车站模型，分别采用浅埋和深埋的两 种工况将它埋入由重晶石粉、细石英砂为骨料、凡士林为粘结剂的一种混合材料 中，用e 1c e n 仃。波在垂直于地下结构轴线的水平向激振，测定了地铁车站横断面 的顶、底板和侧壁上各跨中点处的动应变以及各跨端点处的加速度时程，没有测 定中柱的动力反应。季倩倩( 2 0 0 2 ) 【19 j 开展了自由场振动台模型试验、典型地铁车 站结构振动台模型试验和地铁车站接头结构振动台模型试验，分别从模型材料的 基本动力特性、加速度时程、结构构件应变的变化及作用在结构表面的动土压力 值的变化等方面进行了分析，得出了一些规律性的认识，提出了利用白噪扫描得 出的传递函数确定模型箱内土体动剪切模量的方法。同时，利用土体的加速度反 应值，得到了箱内土体的动剪应力与剪应变的变化规律曲线。宫必宁和赵大鹏 ( 2 0 0 2 ) 【2 0 】选取地铁车站结构为研究对象，通过模拟地震振动台试验对拟定结构的 第5 页 浙江工业，：学硕十学位论文 地钞地下结均地震响寸分析 加速度放大系数、压力与位移响应进行分析，讨论了地下结构对竖向地震激励的 响应，以及在不同埋深下土与地下结构的相互作用对地下结构抗震性能的影响。 陈国兴和庄海洋( 2 0 0 6 ) 【2 1 】【2 2 】等以南京地铁的建设背景为基础，考虑复杂介质环 境，分别对含有可液化土层的深软场地上双洞单轨地铁区间隧道结构和两层双柱 三跨地铁车站模型进行了大型振动台模型试验。试验模型的几何相似比= 1 ：2 5 。 在试验中，对试验结果起决定作用的主要参数采用统一的相似比，而对次要参数 的相似比则尽量与主要参数的相似比接近。车爱兰和岩栀敝广( 2 0 0 6 ) 口3 】等为明确 大地震时地铁的破坏过程及原因，以1 9 9 5 年日本阪神淡路大地震中遭受严重破 坏的神户大开地铁车站为对象，进行了一系列的模型振动试验。对于作用于地下 结构的地震动土压的发生原理、地震波输入方向、结构的埋设深度、地基与结构 间的刚性比对地震动土压的影响及在地基结构系统的非线性响应下结构周围地 基终局状态时的地震动土压进行了研究，明确了地震动土压的极限值及在大地震 时周围地基的残余应变引起的静止土压力的存在。 1 3 4 理论分析 根据地下结构抗震理论分析方法的应用程度，可将理论分析法分为解析法、 半解析法和数值法，而这些方法又可进行进一步细分，如图1 1 所示。 振动台试验 人工震源试验 图1 1地下结构抗震问题分析方法的类型 ( 1 ) 地震系数法【2 5 】 地震系数法又称静力法、惯性力法或拟静力法。它假设结构物各个部分与地 第6 页 浙江t 业大学硕十学位论文 地钞地下结构地震响吨分析 震动有相同的振动。此时，结构物上只作用着地面运动加速度乘以结构物质量所 产生的惯性力，把惯性力视为静力作用于结构物上进行抗震计算。地震惯性力， 的计算公式为 f = 二q = 疋q ( 1 1 ) g 式中，q 、f 、g 和疋分别为结构物的重量、作用于结构上的地震加速度、重 力加速度和地震系数( 地面运动加速度峰值与重力加速度的比值，由地震烈度确 定) 。 这种方法用于地面结构时，将随时间变化的地震力用等代的静地震荷载或静 地层位移代替，然后再用静力计算模型分析结构响应。但是，该法计算的结构内 力值一般偏大于动力响应分析值。 对于地下结构中纵向尺寸远大于横向尺寸的线性结构横断面抗震计算和地 下储油罐的抗震设计中，也可采用该方法。这时的地震荷载不仅要考虑由于结构 物自重引起的惯性力，还要考虑上覆土的惯性力、地震时的动土压力以及内部动 水压力等。在计算刚度特大、变形甚小的地下结构时，地震系数法至今仍被采用。 ( 2 ) 反应位移法【2 6 反应位移法也称为“响应位移法”、“反应变位法”或“响应变位法”。2 0 世纪 7 0 年代，日本学者从地震观测入手，提出了地下线状结构的抗震设计方法，即 反应位移法。其基本原理是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物，把地震时地基 的位移当作己知条件作用在弹性地基上，求解梁上产生的应力和变形，从而计算 地下结构( 隧洞、管道、竖井等) 的地震反应。计算地下结构地震反应的公式可简 化为拟静力计算公式： k 】 u ) = 【k 。】 ( 1 2 ) 式中，矩阵k 包括地下结构的刚度 k 】和地基抗力【k 。】。 该方法的关键是确定地震变位 ) 和抗力系数 墨】。通常将 k 取对角阵， 则 k ，】相当于文克尔弹簧常数。这种方法的理论依据是基于地震时地下结构反应 分析的研究成果，即支配地下结构地震响应的是地基变形而不是结构物的惯性 力。 ( 3 ) 围岩应变传递法【4 地下油库、海底隧道、地下管道等的地震观测结果表明，地下结构地震时应 变的波形与周围岩土介质地震应变波形几乎完全相似。根据地震波动场分析的基 本思想，可建立地下结构的地震应变关系式： 第7 页 浙江t 业大学硕十学位论文 地钱地下结构地震响声分析 t = ( 1 3 ) 式中，。为地下结构的地震应变；岛为无地下结构影响的周围岩土介质的地震 应变；口为应变传递系数，可以将其看作是一个静态系数，它和地震动的频率和 波长无关，只随地下结构的形状、刚度以及周围岩土介质的刚度而变化，通过静 力有限元分析来确定。 ( 4 ) b 6 蝴隧道设计法 b 。6 册隧道设计法是美国2 0 世纪6 0 年代末修建旧金山海湾地区快速地铁运输 系统( b 6 衄) 时建立的地下结构抗震设计准则。该法假设土体并不因地震作用而 丧失其整体稳定性，地震作用只引起地下结构的振动效应。其总体指导思想是： 在抗震设计中，地下结构并不抵御惯性力而是具有吸收强加变形的延性，同时不 丧失其承受静荷载能力【27 i 。 ( 5 ) 等代地震荷载法1 2 s j 这种方法旨在对地铁车站和区间隧道衬砌结构的设计，建立用于计算地震响 应的等代结构力学方法，并力求将动力问题的计算简化为等效静力问题来求解。 将地震荷载的作用简化为施加于结构上的水平向静力等代地震荷载，重力作用下 地基对结构的作用简化为施加在结构上的约束和荷载。由有限元动力计算模型得 出结构的内力后，将其与设计地震荷载作用下结构的最大合内力响应作对比，并 将二者十分接近时的等代地震荷载作为该概率水准下的等代地震荷载。 ( 6 ) 波动拟静力法1 4 j 该方法也称为波动解法，由前苏联学者福季耶娃提出。对于波长大于隧道洞 径三倍的p 波和s 波，只要隧道埋深大于洞径3 倍，隧道长度大于洞径5 倍，就可 将地震反应的动力学问题用围岩在无限远处承受一定荷载的弹性力学平面问题 方法解答。假设岩土体属于线弹性变形介质，地震作用时引起隧道围岩的应力及 衬砌内力的计算，