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摘要本文主要針對當(dāng)前方興未艾的城市輕軌交通中的地下隧道,在結(jié)構(gòu)抗震分析方面進行了探討,并提出了合理的計算方法,供讀者參考。

關(guān)鍵詞城市輕軌隧道抗震分析

大城市的交通設(shè)施,無論國內(nèi)外都是人們關(guān)注的問題,完全依賴地面交通難以獲得令人滿意的效果,利用地下空間開拓城市輕軌交通,已是國際上大城市解決交通問題的共識。自20世紀60年代中期開始,北京著手籌建地下鐵道,并于60年代末建成了國內(nèi)第一條地下軌道交通線。爾后,國內(nèi)各大城市也都在籌劃開展地下輕軌交通的興建。

我國屬多地震國家,受地震影響的城市,覆蓋范圍極廣,逾70%的省會城市,抗震設(shè)防烈度均在7度(含)以上。顯然,在這些城市興建地下輕軌交通時,都會涉及到結(jié)構(gòu)抗震問題,但目前我國相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范中,尚無明確規(guī)定合理的抗震設(shè)計方法。為此,本文針對地下輕軌交通中的隧道結(jié)構(gòu),探討其合理的抗震分析方法,提供給相關(guān)的設(shè)計人員參考。

一、地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)的地震動反應(yīng)

地下輕軌交通的結(jié)構(gòu)型式,可以是圓形、矩形或上頂拱形結(jié)構(gòu)等,通常與采用的施工工法相關(guān),就其在地震作用下的受力狀態(tài)而言,不論其結(jié)構(gòu)型式,均視作地下隧道線狀結(jié)構(gòu)考慮。由于城市輕軌交通的地下隧道,一般埋深較大,隧道這種線狀結(jié)構(gòu)受到的阻尼作用很大,其結(jié)構(gòu)的自振頻率很高,因此地震動引起的慣性力當(dāng)可忽略不計。歷來對地下隧道的工程抗震驗算,都將其視作土體的一部分,驗算這種線狀結(jié)構(gòu)在地震行波的作用下,隧道結(jié)構(gòu)所引發(fā)的應(yīng)力(應(yīng)變)是否超過其承受的能力(與常規(guī)荷載效應(yīng)組合后)[1,2]。通過對歷次強烈地震中地下結(jié)構(gòu)的實際震害反映和現(xiàn)場模擬試驗[3],確認將地下結(jié)構(gòu)視作完全順應(yīng)地震行波作用下土體的變位,無疑是比較保守的。因為從整體來看,地下線狀結(jié)構(gòu)與大地波動相比,其結(jié)構(gòu)剛度是微不足道的;但土體畢竟不是剛體,就微觀分析,結(jié)構(gòu)剛度還是有影響的,土體的波動變位還不可能完全傳遞給地下結(jié)構(gòu)。據(jù)此,目前國際上較為通用的抗震驗算模式,乃是將地下線狀結(jié)構(gòu)視作埋設(shè)于土體中的彈性地基梁,作為工程上實用的解析模型[2,4]。

二、地下隧道結(jié)構(gòu)抗震驗算模型的建立與應(yīng)用

將地下結(jié)構(gòu)視作埋設(shè)于土體中的彈性地基長梁,早在20世紀50年代后期提出并在工程上應(yīng)用。從實用出發(fā),考慮地震動時耗能最大的剪切波的行進作用,同時簡化為正弦函數(shù)表達。根據(jù)這一前提,當(dāng)?shù)叵滤淼涝獾饺我馊肷浣?<)的剪切波作用時,其影響結(jié)構(gòu)的土體變位可由圖1表示。

圖1在剪切波作用下,土體變位矢量圖

圖1中uG—剪切波行進時,土體位移的最大幅值,即場地地面位移的最大幅值;uS—剪切波行進時,X軸線上土體的位移量;

uS—剪切波行進時,X′軸線(即沿隧道走向)上的土體位移量;L—剪切波的波長;L′—沿隧道走向X′軸線上,剪切波的視波長,即L′=L/cos<;<—剪切波的入射角,即剪切波行進方向與隧道走向軸線的夾角。隧道結(jié)構(gòu)作為彈性地基梁的計算模型,如圖2所示。

圖2彈性地基梁計算模型我國國家標準《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50032—2003中,對地下管道的抗震驗算考慮盡量與國際接軌,就引用了這一計算模型,但僅計入了沿管線走向的縱向變位。此時,按圖2單元結(jié)構(gòu)上的平衡方程可得下式:

dFE+KL(uS-uP)dx′=0(1)式中FE—單元結(jié)構(gòu)上的受力,即duPFE=EAdx′E—結(jié)構(gòu)材料的彈性模量;A—結(jié)構(gòu)的橫截面面積;KL—單元結(jié)構(gòu)上沿管線走向的彈性阻抗系數(shù),即KL=klUo;kl—沿結(jié)構(gòu)走向的單位面積彈性阻抗系數(shù);Uo—單元結(jié)構(gòu)的外緣表面積;

′uS—在剪切波作用下,沿結(jié)構(gòu)走向的土體位移;uP—在剪切波作用下,結(jié)構(gòu)沿走向(即縱向)的位移?！涞恼冶磉_式,以圖1設(shè)定的座標,并代入uS式(1)的通解可得:當(dāng)x′=0和x′=L′2時,應(yīng)為uP=u′S=0,則可得C1=C2=0。由此可得在剪切波作用下的縱向位移為:1′′uP=(2π)2uS=ζLuS(3)EA1+KLL式中ζL—縱向變位傳遞系數(shù),即1=ζLEA1+(2π)2(4)KLL相應(yīng)的結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變量應(yīng)為:2πεp=ζLuGsin除了以式(7)提供工程抗震驗算外,文獻[2]還提出了要考慮自基巖豎向傳遞至地面的剪切波作用,使隧道結(jié)構(gòu)豎向產(chǎn)生畸變,相當(dāng)于隧道的頂、底間產(chǎn)生相對偏移。這種情況與建設(shè)場地的工程地質(zhì)條件相關(guān),如果基巖埋深很大,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的畸變量甚小,可以忽略其影響;如果基巖埋深很淺,隧道高度較大時,則畸變影響應(yīng)予考慮。

三、各項計算參數(shù)的確定

對地下隧道結(jié)構(gòu)按式(7)進行抗震驗算時,各項計算參數(shù)的合理擬定至關(guān)重要。下面將逐一進行探討。11地面位移幅值uG從工程實用考慮,uG值可按下式計算:KHgT2guG=4π2(9)式中KH—相應(yīng)設(shè)防地震烈度的水平向地震系數(shù);g—重力加速度;Tg—場地的特征周期。式(9)系按相應(yīng)設(shè)防烈度的地震加速度換算獲得,比之實際地震記錄小得多,在GB50032中,對承插接口管道的接口允許位移量取較為保守的數(shù)值與之相對應(yīng),這樣處理旨在方便應(yīng)用。對地下輕軌隧道結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同,尚需慎重對待。對此,文獻[5]以強震記錄分析為基礎(chǔ),提出了uG的建議值,可供參考采用。21剪切波長的確定剪切波的波長可按下式計算:L=VsTg(10)式中Vs—剪切波的行進速度,應(yīng)由勘察報告提供,但應(yīng)考慮到實測條件與強震時不同,應(yīng)按勘察報告提供實測數(shù)值的2/3采用。

彈性阻抗系數(shù)亦可稱為“地基反力系數(shù)”。此項系數(shù)的確定比較復(fù)雜,不僅與結(jié)構(gòu)外緣的做法(防水、防腐等構(gòu)造)、場地土質(zhì)相關(guān),還和隧道結(jié)構(gòu)的施工工法(明開、盾構(gòu)、新奧法等)密切相關(guān)。針對開槽建造的情況,結(jié)構(gòu)外緣接觸的土體均為回填夯實土,通?？扇值為0106～0107N/mm3。如果采用不開槽施工,一般會對結(jié)構(gòu)外緣進行灌漿,此時kl、kt的數(shù)值將取決于結(jié)構(gòu)外緣土體的抗剪強度,亦即地震動時土體的位移將通過土的抗剪強度傳遞給隧道結(jié)構(gòu)。對此在確定土的抗剪強度時,亦應(yīng)考慮室內(nèi)試驗條件與強震時不同,對室內(nèi)試驗的數(shù)據(jù)應(yīng)乘以小于110的折減系數(shù)(例如亦可按2/3取值)。

關(guān)于KL、KT值的確定,日本《化工設(shè)備抗震準則》提供了更為簡化的方法,認為:KL=KT=3Gs(11)式中Gs—土的剪切模量。式(11)限定了K值的確定僅與場地土質(zhì)有關(guān),而與結(jié)構(gòu)的體量大小、構(gòu)造型式、施工方法等均無關(guān),無疑過于粗糙。同時應(yīng)該提及,在文獻[5]中,對K值的確定也提供了具體建議,可供設(shè)計參考。顯然,KL、KT值的合理確定,對地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震驗算至關(guān)重要,但設(shè)計中應(yīng)結(jié)合安全儲備的考慮(例如安全系數(shù)或作用分項系數(shù)的取值),綜合推敲確定。

四、地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

地下隧道結(jié)構(gòu)在地震行波作用下的應(yīng)變量,由于結(jié)構(gòu)剛度較大,相應(yīng)的變位傳遞系數(shù)可能較小,但仍可能使結(jié)構(gòu)難以承受。在這種情況下,可以設(shè)置變形縫構(gòu)造來順應(yīng)地震動位移。此時可將半個視波內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的總位移量,由變形縫構(gòu)造予以吸收。

半個視波長范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的總位移量,可通過對應(yīng)變量積分獲得:

πΔ(L′2)=2(ζ2+ζTB)(12)

通常變形縫構(gòu)造由帶變形圈的止水橡膠帶、高密度聚乙稀填縫板及內(nèi)表面聚硫密封膏嵌縫、外表面膨脹型橡膠條堵縫組合而成。每個變形縫的變形量可在30mm以上,但按30mm設(shè)計為宜。橡膠帶的老化問題,對埋設(shè)在地下的條件,經(jīng)唐山地震后開挖取樣,檢測各項指標,逾70年尚保持良好。同時還應(yīng)在變形縫處的底板下設(shè)置墊梁,梁上設(shè)滑動層,以免造成該處突變,導(dǎo)致影響行車安全。當(dāng)需要在半個視波長隧道結(jié)構(gòu)上設(shè)置多個變形縫時,應(yīng)考慮每個變形縫的允許位移量不可能都充分利用,應(yīng)乘以等效系數(shù)0164予以折減。

五、結(jié)語

本文主要針對當(dāng)前地下輕軌隧道結(jié)構(gòu)抗震驗算的現(xiàn)況,提出了抗震驗算的合理計算模型。這種計算模式,20世紀60年代末早在美國加州興建地下隧道時應(yīng)用,有別于地面結(jié)構(gòu)的抗震計算方法,兩者的地震動反應(yīng)是完全不同的,不能混同應(yīng)用。文內(nèi)并對隨后的研究成果及信息,綜合匯入探討,尤其對各項計算參數(shù)的合理確定,在實際應(yīng)用時尚需多加推敲,連同抗震構(gòu)造措施,一并提供讀者參考,以期對地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計有所裨益。

參考文獻

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