城市轻轨地下隧道结构抗震分析探讨_0

1、城市轻轨地下隧道结构抗震分析探讨摘要 本文主要针对当前方兴未艾的城市轻轨交通中的地下隧道，在结构抗震分析方面进行了探讨，并提出了合理的计算方法，供读者参考。关键词城市轻轨隧道抗震分析大城市的交通设施，无论国内外都是人们关注的问题，完全依赖地面交通 难以获得令人满意的效果，利用地下空间开拓城市轻轨交通，已是国际上大城市 解决交通问题的共识。自20世纪60年代中期开始，北京着手筹建地下铁道，并 于60年代末建成了国内第一条地下轨道交通线。尔后 ，国内各大城市也都在筹 划开展地下轻轨交通的兴建。我国属多地震国家,受地震影响的城市,覆盖范围极广,逾70 %的省会城 市,抗震设防烈度均在7度（含）以上。

2、显然，在这些城市兴建地下轻轨交通时， 都会涉及到结构抗震问题，但目前我国相应的设计规范中，尚无明确规定合理的 抗震设计方法。为此，本文针对地下轻轨交通中的隧道结构，探讨其合理的抗震分 析方法,提供给相关的设计人员参考。一、地下轻轨隧道结构的地震动反应地下轻轨交通的结构型式，可以是圆形、矩形或上顶拱形结构等，通常与 采用的施工工法相关，就其在地震作用下的受力状态而言，不论其结构型式，均 视作地下隧道线状结构考虑。由于城市轻轨交通的地下隧道，一般埋深较大，隧道 这种线状结构受到的阻尼作用很大，其结构的自振频率很高，因此地震动引起的 惯性力当可忽略不计。历来对地下隧道的工程抗震验算，都将其视作土体的

3、一部 分,验算这种线状结构在地震行波的作用下，隧道结构所引发的应力（应变）是 否超过其承受的能力（与常规荷载效应组合后）1 ,2 。通过对历次强烈地震中地下结构的实际震害反映和现场模拟试验3 ,确认将地下结构视作完全顺 应地震行波作用下土体的变位，无疑是比较保守的。因为从整体来看，地下线状结 构与大地波动相比，其结构刚度是微不足道的；但土体毕竟不是刚体，就微观分析, 结构刚度还是有影响的，土体的波动变位还不可能完全传递给地下结构。据此，目前国际上较为通用的抗震验算模式，乃是将地下线状结构视作埋设于土体中的 弹性地基梁，作为工程上实用的解析模型2 ,4 。二、地下隧道结构抗震验算模型的建立与应用

4、将地下结构视作埋设于土体中的弹性地基长梁，早在20世纪50年代后1 在剪切波作用下，土体变位矢量图1中uG 剪切波行进时，土体位移的最大幅值，即场地地面位移的 uS 剪切波行进时，X轴线上土体的位移量；剪切波行进时，X轴线(即沿隧道走向)上的土体位移量； L期提出并在工程上应用。从实用出发，考虑地震动时耗能最大的剪切波的行进作 用,同时简化为正弦函数表达。根据这一前提，当地下隧道遭到任意入射角(<)的 剪切波作用时，其影响结构的土体变位可由图1表示。图图最大幅值；uS剪切波的波长；L'沿隧道走向乂轴线上，剪切波的视波长，即L' = L/cos <；< 剪切波的

5、入射角，即剪切波行进方向与隧道走向轴线的夹角。隧道结构作为弹性地基梁的计算模型，如图2所示。图2弹性地基梁计算模型我国国家标准室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范GB50032-20XX中,对地下管道的抗震验算考虑尽量与国际接 轨,就引用了这一计算模型，但仅计入了沿管线走向的纵向变位。 此时,按图2单 元结构上的平衡方程可得下式：d FE + KL(uS - uP) dx = 0 (1) 式中 FE 单元结构上的受力 ,即 duPFE = EA dx E 结构材料的弹性模量；A 结构的横截面面积;KL 单元结构上沿管线走向的弹性阻抗系数，即KL = kl Uo; kl 沿 结构走向的单位面积

6、弹性阻抗系数；Uo 单元结构的外缘表面积；uP = u S= 0 , ''uP= (2 n ),即 1 = z L EA2 n £ p= Z L'uS 在剪切波作用下，沿结构走向的土体位移；uP 在剪切波作用 下，结构沿走向(即纵向)的位移。的正弦表达式，以图1设定的座标，并 代入uS式(1)的通解可得：当X' = 0和X' = L 2时,应为 则可得C1= C2= 0。由此可得在剪切波作用下的纵向位移为：12 uS = Z LuSEA 1 + KL L 式中Z L 纵向变位传递系数1 +(2 n ) 2 (4) KL L相应的结构纵向应变量应

7、为：uGsin除了以式(7)提供工程抗震验算外，文献2 还提出了要考虑自基岩竖向传递至地面的剪切波作用 ，使隧道结构竖向产生畸变，相当于隧 道的顶、底间产生相对偏移。这种情况与建设场地的工程地质条件相关 ，如果基 岩埋深很大，结构产生的畸变量甚小，可以忽略其影响；如果基岩埋深很浅，隧道 高度较大时，则畸变影响应予考虑。进行抗震验算时，各项计算参数的合理拟定至11地面位移幅值uG从工程实用考虑,uG值n 2 (9)式中KH 相应设防地震烈度的水平三、各项计算参数的确定对地下隧道结构按式(7)关重要。下面将逐一进行探讨。可按下式计算：KHg T2 g uG = 4g 重力加速度；Tg 场地的特征周

8、期。式(9)系按相应向地震系数；设防烈度的地震加速度换算获得,比之实际地震记录小得多,在GB50032中,对 承插接口管道的接口允许位移量取较为保守的数值与之相对应，这样处理旨在方便应用。对地下轻轨隧道结构，其结构构造不同，尚需慎重对待。对此，文献5 以强震记录分析为基础，提出了 uG的建议值,可供参考采用。21剪切波长的确 定剪切波的波长可按下式计算：L = VsTg (10) 式中Vs 剪切波的行进速度, 应由勘察报告提供，但应考虑到实测条件与强震时不同，应按勘察报告提供实测 数值的2/ 3采用。弹性阻抗系数亦可称为“地基反力系数”。此项系数的确定比较复杂，不仅与结构外缘的做法(防水、防腐

9、等构造)、场地土质相关，还和隧道结构的施 工工法(明开、盾构、新奥法等)密切相关。针对开槽建造的情况，结构外缘接触 的土体均为回填夯实土 ,通常可取k值为01060107N/mm3。如果采用不开槽施 工,一般会对结构外缘进行灌浆，此时kl、kt的数值将取决于结构外缘土体的 抗剪强度,亦即地震动时土体的位移将通过土的抗剪强度传递给隧道结构。对此 在确定土的抗剪强度时，亦应考虑室内试验条件与强震时不同，对室内试验的数 据应乘以小于110的折减系数(例如亦可按2/ 3取值)。关于KL、KT值的确定，日本化工设备抗震准则提供了更为简化的 方法,认为：KL= KT= 3 Gs (11)式中Gs 土的剪切

10、模量。式(11)限定了 K值 的确定仅与场地土质有关，而与结构的体量大小、构造型式、施工方法等均无关， 无疑过于粗糙。同时应该提及，在文献5 中,对K值的确定也提供了具体建议， 可供设计参考。显然，KL、KT值的合理确定，对地下隧道结构的抗震验算至关 重要，但设计中应结合安全储备的考虑(例如安全系数或作用分项系数的取值), 综合推敲确定。四、地下隧道结构的抗震构造措施地下隧道结构在地震行波作用下的应变量 ，由于结构刚度较大，相应的 变位传递系数可能较小，但仍可能使结构难以承受。在这种情况下，可以设置变形 缝构造来顺应地震动位移。此时可将半个视波内隧道结构的总位移量 ，由变形缝 构造予以吸收。半

11、个视波长范围内隧道结构的总位移量，可通过对应变量积分获得：n (L 2)= 2 ( Z 2 + Z TB) (12)通常变形缝构造由带变形圈的止水橡胶带、高密度聚乙稀填缝板及内表 面聚硫密封膏嵌缝、外表面膨胀型橡胶条堵缝组合而成。每个变形缝的变形量可 在30mm以上，但按30mm设计为宜。橡胶带的老化问题，对埋设在地下的条件， 经唐山地震后开挖取样，检测各项指标，逾70年尚保持良好。同时还应在变形缝 处的底板下设置垫梁，梁上设滑动层，以免造成该处突变，导致影响行车安全。当 需要在半个视波长隧道结构上设置多个变形缝时，应考虑每个变形缝的允许位移 量不可能都充分利用，应乘以等效系数0164予以折减

12、。五、结语本文主要针对当前地下轻轨隧道结构抗震验算的现况，提出了抗震验算的合理计算模型。这种计算模式,20世纪60年代末早在美国加州兴建地下隧道 时应用，有别于地面结构的抗震计算方法，两者的地震动反应是完全不同的，不 能混同应用。文内并对随后的研究成果及信息，综合汇入探讨，尤其对各项计算 参数的合理确定，在实际应用时尚需多加推敲，连同抗震构造措施，一并提供读者 参考,以期对地下隧道结构的抗震设计有所裨益。参考文献1 苏联结构地震荷载计算规程，19612 T. R. Kussel1BART地下道抗震设计标准 1 P roceed ings of theAmerica n Socity of CivilEngin eeri ngs ,Jo urnal of the Structural Divi2sio n Volume 95N576,J une 19693 中国建