盾构隧道地震动力响应分析方法及抗震研究

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我国位于太平洋地震带与欧亚地震带的交汇处,地震断裂带发育,地震活动频发,强度大、震源浅、分布广、危害大。近年来,随着我国对地下空间的开发,大批公路、地铁盾构隧道已经或即将建设。由于盾构隧道穿越地层条件一般比较复杂,且其衬砌存在大量连接缝,抗震性能较差,在地震荷载作用下易产生严重错台、开裂等震害。而我国目前针对盾构隧道震害机制及相应减震措施的研究远远滞后于工程设计。因此,深入开展盾构隧道抗震分析方法及减震措施的研究不仅具有重要的理论价值,还具有广泛的工程应用前景。本文依托南京纬三路过江通道工程,首先,开展了地下工程抗震分析中多点地震波合成、人工边界及合理地震动输入方法的研究;然后,通过试验及理论推导建立了盾构隧道动力分析的力学模型;开展了盾构隧道地震响应规律及震害机理的研究,提出了盾构隧道的减震技术;并将研究成果运用到依托工程中,给出了相应的工程减震设计建议,并实施了结构动力响应的长期健康监测。本研究主要内容包括:   ⑴隧道纵向抗震分析的多点地震波合成方法及程序实现。根据目前常采用的多点地震波合成方法,提出了适用于隧道纵向抗震分析的多点地震波合成方法;与常用方法相比,该方法考虑了地震波频域的非平稳性,并根据不同频率成分传播速度的差异对行波效应项进行了修正,同时将该方法与自由场有限元动力计算相结合,可反映隧道不同埋深处地震动峰值的差异。   ⑵地震波斜入射情况下地震动输入方法。基于地下工程抗震计算常用的人工边界,理论推导了地震波垂直入射与斜入射两种情况下的地震动输入方法;该方法同时考虑了人工边界的附加阻尼与地震波传播过程中边界单元的动应力。算例验证结果表明该方法可保证模型边界处的应力与位移边界条件,地震荷载输入值与设计值能够较好地吻合。   ⑶盾构管片动力相互作用与广义接头力学模型。开展了管片混凝土接触面的压缩-剪切试验,揭示了不同法向力,不同剪切速率及循环剪切作用下接触而法向与切向力学性能的变化规律,并在此基础上建立起混凝土接触面动力相互作用力学模型。该模型能够表征地震荷载作用下管片间的动力相互作用。同时,根据盾构隧道接头螺栓的实际受力特征,理论推导并建立了广义接头力学模型。广义接头力学模型能够反映管片的错台及螺栓的破坏,可为隧道接头的抗震设计提供参考。   ⑷环内接头抗弯刚度计算方法。基于盾构隧道环内接头的结构特点,考虑接头全截面受压与局部截面受压两种可能的受力状态,确定了截面在轴力与弯矩作用下的几种临界状态,理论推导了环内接头的抗弯刚度;并通过试验数据对求解方法及相关程序进行了验证,结果表明该方法能够较好地反映接头的抗弯性能。   ⑸盾构隧道纵向分析模型及改进反应位移法。为考虑环内与环间接头效应,在盾构隧道环内接头抗弯刚度及管片间非线性接触模型的基础上,建立了横向非均质-纵向非连续的盾构隧道纵向地震响应分析模型,并通过编程实现该模型的参数化建立。基于反应位移法能够反映结构地震响应规律且计算量小的优点,同时考虑地震荷载作用下盾构隧道纵向结构受力与变形特征,提出了改进反应位移法。该方法可反映隧道穿越地层条件的差异,并能给出整个地震动过程中隧道的响应规律。   ⑹盾构隧道地震响应规律及减震措施。结合以往盾构隧道的震害资料,研究了地震波形及入射角对隧道地震响应的影响,揭示了浅埋段、竖井连接部位及纵向穿越软硬过渡区盾构隧道的地震响应规律,并分析了相应部位隧道的震害机理。在此基础上,提出了盾构隧道三级减震途径,并结合工程实际给出了相应的减震措施。   ⑺依托工程长期健康监测。针对南京纬三路过江盾构隧道,对地震动、管片外侧土压力、水压力、管片内外侧混凝土应力、钢筋应力、管片温度、接头螺栓应力、接头张开度、隧道纵向不均匀沉降及横断面收敛等项目进行长期连续监测。长期健康监测将为盾构隧道积累大量宝贵的技术数据,也将为盾构隧道抗震性能的检验与减震措施的选择提供有力依据。
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