考虑衬砌质量缺陷的运营公路隧道地震易损性研究

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我国西部地区大量运营公路隧道地处高烈度地震区,与此同时,运营隧道质量缺陷及病害问题较为突出,结构质量缺陷的存在会影响隧道抗震性能,使得含质量缺陷区域成为隧道抗震薄弱部位。带缺陷服役的隧道,将会成为未来公路隧道震害的高危区,严重危及国家交通生命线工程安全和人民生命财产安全。因此,开展缺陷影响下隧道结构地震损伤的研究,对揭示隧道地震响应的缺陷影响机理、实现全寿命周期抗震性能评价具有重要的理论意义。目前针对隧道衬砌质量缺陷对地震响应的影响,已吸引一些学者的关注和研究,但现有研究大多采用确定性分析方法,缺乏考虑隧道结构、地震动的随机性和不确定性。此外,对考虑缺陷影响的衬砌混凝土力学性能试验较少。基于此,本文以缺陷隧道结构为研究对象,结合地震易损性分析理论和增量动力分析法,开展衬砌质量缺陷影响下的运营公路隧道地震易损性研究。主要研究工作及结论如下:(1)详细阐述了基于增量动力分析法的运营公路隧道地震易损性的分析步骤及评估流程。建立了考虑衬砌缺陷-围岩动力相互作用的地震响应计算模型。结合团队已有研究成果,实现了模型粘弹性边界的施加及地震动输入、围岩应力释放及大量隧道地震响应数据的自动提取。(2)依托云南山区某两车道高速公路隧道,考虑衬砌厚度不足(简称减薄)和背后脱空,结合增量动力分析方法,开展了不同围岩条件及地震动特征下的大量隧道地震响应分析。在此基础上,分析了衬砌减薄、衬砌减薄及脱空影响下的运营公路隧道地震易损性。结果表明:1)衬砌减薄对围岩塑性应变分布、衬砌内力的影响随地震动强度的增加和围岩质量变差而增大。总体而言,这种影响主要局限于缺陷附近区域,而对围岩和衬砌整体受力变形的分布影响小。衬砌减薄及背后脱空共同影响下,随着缺陷程度的增加和围岩级别的降低,地震作用下的围岩塑性应变及缺陷处衬砌内力分布均发生明显改变,缺陷处塑性应变峰值显著增大,缺陷区域衬砌弯矩发生突变,弯矩值明显增大。说明衬砌减薄及脱空组合缺陷对地震作用下的围岩及衬砌受力有重要影响。相较于衬砌减薄,脱空的影响更明显。2)当衬砌与围岩密贴,仅有衬砌减薄缺陷时,对隧道易损性的影响较小。当同时存在衬砌减薄及脱空缺陷时,随着缺陷程度的增加,隧道易损性呈两阶段非线性增大,表现为当组合缺陷程度达到一定量值时(δ=25%,η=6%),衬砌地震损伤概率的增速加快。组合缺陷对衬砌结构易损性的影响程度因缺陷位置、围岩级别及地震动方向而有所差异。3)相同地震动强度下,素混凝土衬砌相比于钢筋混凝土衬砌的地震易损性更大。而且,衬砌减薄及脱空组合缺陷对素混凝土衬砌地震易损性的影响远大于钢筋混凝土衬砌。(3)开展了循环荷载作用下含孔洞缺陷混凝土的力学性能试验,得到了孔隙率和混凝土物理力学参数之间的关系。在此基础上,研究了混凝土孔洞缺陷影响下的隧道易损性。结果表明:混凝土试件峰值应力随孔隙率的增加呈非线性降低,其峰值应变及应变极值呈线性增大。随着孔隙率的增加,隧道衬砌损伤概率增大。相同地震动强度下,围岩质量越差,含孔洞缺陷的隧道易损性越大;横向地震动下含孔洞缺陷隧道易损性大于竖向地震动,但孔洞缺陷对竖向地震动更敏感,表现为随孔隙率的增加,竖向地震动下的衬砌结构损伤概率增幅更大。
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