地震作用下软土-隧道-地上框架体系动力反应分析_张季.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 江西省自然科学基金项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 张季 男博士副教授 年生 地震作用下软土 隧道 地上框架体系动力反应分析 张季 谭灿星 黄源 黄玲慧 许开成 华东交通大学土木建筑学院南昌 华东交通大学土木工程国家实验教学示范中心南昌 摘要地震作用下地铁隧道与临近建筑物的动力相互作用问题已受到不少学者的关注和重视但是针对软土场 地方面的动力相互作用认识还不充分以天津软土场地为例采用 有限元软件围绕隧道与地上框架结构间距隧 道埋深隧道上行线与下行线间距框架结构自振频率等参数对隧道软土地基地上框架结构体系地震响应问题进行 了参数化分析研究发现地铁隧道会对其下穿的地上框架地震响应产生一定程度的扰动以框架结构层间位移角计量 这种扰动影响程度在左右地上框架结构可能会放大临近地铁隧道的动应力响应特别是下穿型地铁隧道也可 能会削弱其动应力响应就本文模型而言地上结构对衬砌动应力峰值的放大倍数最高可达 建议软土场地工程 设计中考虑地上建筑对下穿型地铁隧道抗震性能的不利影响 关键词地铁隧道地上框架结构软土场地动力相互作用放大效应 中图分类号 文献标志码 近年来地铁区间隧道下穿侧穿地上建筑物的情 形越来越多地震作用下隧道与临近建筑物的动力相 互作用问题受到越来越多的关注和重视由于隧道的 开发建设其临近地上建筑的地基环境将发生改变同 时受周边复杂建筑环境的影响地铁区间隧道的周围 地基也不是设计状态时的半无限层状地基即地下结 构的实际服役状态与设计状态并不一致因此开展 地震作用下地铁隧道与临近地上结构动力相互作用研 究对于评价隧道和临近建筑结构抗震性能具有重要 指导意义 已有一些学者就地震作用下隧道结构地上建筑 物之间的动力相互作用问题进行了研究杨书燕等 研究了地铁隧道对桩基础和筏基地上框架结构地震反 应的影响研究表明隧道下穿或紧邻地上建筑物时隧 道结构对地上建筑地震响应的影响较大当隧道地上 建筑物距离超过 时这种影响可以忽略不计王 国波等 研究了隧道土体地表框架结构相互作 用体系地震响应研究表明体系相互作用对隧道和地 表框架结构地震响应的影响均非常有限但当隧道半 径较大时隧道可阻隔地震波的传播从而对地上建筑 起到一定的减震功能 等研究了地铁隧道 与单自由度地表建筑物之间的动力相互作用结果表 明地上建筑对隧道的地震响应具有重要影响并给出 了地上建筑对隧道衬砌弯矩和轴力的增大倍数保守值 分别为和 等 针对意大利 地区某地铁项目研究了地铁隧道土地上建 筑体系的地震响应研究认为隧道地上建筑的存在对 彼此的抗震性能是有利的最近 和黄忠凯 等的研究表明地上建筑物的存在会引起隧道结构变 形以及动态内力的显著增加 等还对隧道 土地上建筑体系进行了振动台试验研究此外还 有一些学者研究了地铁隧道地铁车站与周边建筑物 之间的地震响应 可以看出地铁隧道与邻近建 筑的动力相互作用是复杂的表现为隧道与邻近建筑 对彼此的抗震性能具有有利影响不利影响或可忽略 的影响 值得注意的是上述研究中针对软土场地的成果 较少 等 研究了天津软土场地地下隧洞 对地震动的影响研究表明隧洞对地震动具有显著的 放大作用由于我国软土地区多为抗震设防等级较 高的地区对于软土地区地铁隧道紧邻地上建筑情 况隧道对地震动的放大作用能否体现为对地上建筑 物地震响应的放大作用以及地上建筑物对隧道结构 的影响如何均值得进一步研究本文以天津软土场 地为例通过 有限元软件建立地铁区间隧 道土地上钢筋混凝土框架结构体系对隧道结 构地上建筑动力相互作用进行地震作用下的参数化 分析考虑隧道与框架结构间距隧道埋深隧道上行 线与下行线间距框架结构自振频率等参数对体系地 震响应的影响初步揭示地震作用下软土场地地铁隧 道地上框架结构动力相互作用规律以期能为软土 地区地铁隧道及隧道沿线建筑的地震灾害风险识别 提供指导 数值模拟 模型参数 隧道软土地基地上钢筋混凝土框架结构模型 示意图如图 所示其中为隧道与框架 结构间距为隧道埋深为隧道上行线与下行线 间距为了分析框架结构与隧道间的动力相互作用 还建立了软土地基框架结构模型 隧道软土 地基模型 进行数值计算各模型示意图分别如图 和图 所示假定输入地震动从软土地基底部 基岩面垂直向上以剪切波形式入射输入地震动为 波和 波二者均调幅为 调幅后的加速 度时程曲线如图所示 图分析模型示意图 图输入地震动 软土场地的土层参数如表所示以剪切波速达 到 的土层作为工程基岩场地土层厚度共 场地类别为类盾构隧道衬砌混凝土为 弹性模量为 密度为 泊松比为 衬砌外直径 衬砌结构厚度为 参考天津市内工程场地条件采用 软件设计了 层层层和层共个钢筋混凝土框架结构主 要设计参数如下建筑场地类抗震设防烈度度 设计基本地震加速度 设计地震分组第二组框 架抗震等级二级结构立面模型及梁柱配筋图如图 所示结构楼屋面恒活荷载布置如图所示受力 钢筋采用 框架结构底层层高 其余层层 高 楼板厚 各框架梁柱截面尺寸见表框 架结构基础为刚性 第期张季等地震作用下软土隧道地上框架体系动力反应分析 表土层参数 土层 编号 深度 剪切速度 密度 泊松比阻尼比 基岩 方法介绍 采用 软件建立有限元分析模型采用黏弹 性人工边界吸收模型地基边界上的波反射通过在 地基边界节点上施加等效节点力的方式实现地震动输 入等效节点力由模型对应的自由场地震响应获得 采用自编 程序计算自由场速度应变位移 并进一步在 中通过 语言计算等效节点 力及实现等效节点力在各边界节点上的自动施加 截取 宽度地基建立有限元模型采用四节 点平面应变单元离散软土地基和隧道衬砌采用梁单 元离散钢筋混凝土框架与基础土体单元尺寸按地震 波最小波长的 左右确定地震动输入截止频率为 最小单元尺寸为 衬砌沿环向均分为 个单元采用有限滑移的硬接触模型考虑地基与衬砌 间的接触接触面切向采用库伦摩擦模型黄忠凯等研 究中的摩擦因数取 法向选用硬接触模型土层 结构的阻尼比均为 通过瑞雷阻尼实现土层的 瑞雷阻尼频率参数取为场地的一阶自振圆频率和输入 波的卓越频率框架结构的瑞雷阻尼频率参数取为框 架结构前两阶自振频率采用非结构质量 以附加质量的形式来考虑结构的恒活荷 载通过关键字 实现梁柱构件中的受力钢筋的 模拟即首先建立不含钢筋的有限元分析模型生成 文件然后再通过文本编辑器在 文件中插入 关键字并按要求输入单根钢筋的截面积钢筋 材料和局部坐标系下钢筋在混凝土梁单元中的位置坐 标完成编辑后再采用 软件读入新生成的 文件并计算 表各框架梁柱截面尺寸 参数信息层框架层框架层框架层框架 柱尺寸 层 层 梁尺寸 混凝土 强度等级 图结构立面模型及梁柱配筋图 振 动 与 冲 击年第卷 图荷载简图 方法验证 分两步验算有限元模型的准确性首先建立框 架结构二维有限元模型进行模态分析并与 模 态计算结果对比如表所示可以看出基于 建立的框架结构前三阶自振周期与 软件所得的 周期非常接近这表明框架结构有限元模型是准确的 然后基于黏弹性人工边界建立土隧道地震响应分 析模型输入地震动为 波幅值 土层 参数与表一致隧道衬砌结构中心距地表 隧道 内半径 衬砌厚度为 衬砌混凝土弹性模量 为 密度为 泊松比为 计 算衬砌在地震作用下的环向动应力并与文献结 果进行对比动应力峰值包络图如图所示可以看 出本文结果与文献结果非常吻合这表明本文地震动 输入方法黏弹性人工边界设置有限元建模方法是正 确的 表 和 计算框架结构周期对比 楼层数振型 周期 图本文环向动应力峰值与文献对比 计算结果 隧道对地上框架结构地震响应的影响 以隧道框架结构间距框架结构楼层数作为参 数通过比较地震作用下 模型和模型中框架 结构的层间位移角来分析地铁隧道对地上框架结构 的影响 图给出了 波和 波入射时不同隧 道框架结构间距条件下 体系和体系的 层间位移角曲线图中下穿表示右隧道中心与框架 结构中心对齐两种体系中框架结构楼层数均为 层 体系中隧道间距为 隧道埋深为 为隧 道外径图中实线表示体系层间位移角带符号线 表示 体系层间位移角从图可以看出隧道对 框架结构层间位移角响应具有一定的影响 波入射时隧道下穿地上框架结构情况下 体系的 层间位移角略小于体系二者最大相差为 波入射时隧道下穿地上框架结构情况下 体 系的层间位移角略大于体系二者最大相差为 其他情况下 体系和体系的层间位移 角曲线基本重合 第期张季等地震作用下软土隧道地上框架体系动力反应分析 图不同隧道框架结构间距条件下 体系和体系层间位移角比较 图进一步给出了 波入射时框架结构层 数分别为层层层条件下 体系和体 系层间位移角曲线工况参数为隧道间距等于 隧 道埋深等于 隧道右线下穿地上框架结构从图可 以看出总体上 体系的层间位移角均略大于 体系的层间位移角层层层条件下 体系 层间位移角较体系层间位移角最大增幅分别为 图不同楼层数条件下 体系和体系 层间位移角比较 结合图图可以得出对于软土场地当地铁隧 道下穿地上框架结构时地下隧道会对地上框架结构 地震响应产生一定程度的扰动但很难说这种扰动一 定会增大地上框架结构响应就本文算例而言这种扰 动效应最大可使地上框架结构层间位移角增大约 当地铁隧道紧邻地上框架结构时非下穿可 以认为地上框架结构地震响应不受地下隧道的影响 地上框架结构对隧道地震响应的影响 以隧道框架结构间距隧道埋深隧道上行线与 下行线间距框架结构楼层数作为参数通过比较地震 作用下含框架结构的 模型和不含框架结构的 模型中隧道衬砌的环向动应力来分析地上框架结构 对地铁隧道的影响 隧道框架结构间距的影响 模型参数框架结构楼层数为层隧道双线间距 为 隧道埋深为 隧道框架结构间距分别取 下穿 图给出了 波入射时不同隧道框架结 构间距条件下 体系和 体系隧道衬砌的环 向拉压动应力拉为负压为正图中粗实线为 体系左隧右隧衬砌环向动应力结果其它则为 体 系衬砌动应力结果从图可以看出当右隧道下穿 地上框架结构时右隧道环向拉压动应力均显著大于 无地上框架结构情况即 体系最大拉压动应力 比无框架结构情况增大约 和 当地铁隧 道位于框架结构基础外侧时 体系的隧道环向动 应力普遍小于 体系环向动应力随着隧道框架结 构间距的增大 体系隧道应力受地上框架结构的 影响减弱靠近框架结构一侧的隧道应力受地上结构 的影响更大 图不同隧道框架结构间距条件下 体系和 体系衬砌环向动应力比较 振 动 与 冲 击年第卷 表表进一步给出了 波和 波入射 时 体系和 体系隧道衬砌环向动应力峰值比 较其中放大百分比为二者应力峰值差值的绝对值 与 模型应力峰值的比值可以看出除了下穿地上 框架结构的隧道环向动应力会被放大当隧道临近但 不下穿地上框架结构时靠近框架结构一侧的隧道环向 动应力也可能被放大如 波入射等于 和 时此外值得注意的是 体系左侧隧道 环向应力峰值均不同程度的低于 体系 上述现象表明隧道框架结构间距对 体系 隧道地震响应的影响是显著的当隧道下穿地上结构 时下穿隧道的环向动应力会被增大当隧道临近但不 下穿地上结构时其动应力可能被增大也可能被 缩小 表 波入射时 体系和 体系隧道衬砌环向动应力峰值比较 隧道框架结构 间距 左隧道内缘拉应力 模型 模型放大百分比 左隧道内缘压应力 模型 模型放大百分比 下穿 隧道框架结构 间距 右隧道内缘拉应力 模型 模型放大百分比 右隧道内缘压应力 模型 模型放大百分比 下穿 表 波入射时 体系和 体系隧道衬砌环向动应力峰值比较 隧道框架结构 间距 左隧道内缘拉应力 模型 模型放大百分比 左隧道内缘压应力 模型 模型放大百分比 下穿 隧道框架结构 间距 右隧道内缘拉应力 模型 模型放大百分比 右隧道内缘压应力 模型 模型放大百分比 下穿 隧道埋深的影响 模型参数框架结构楼层数为层隧道双线间距 为 右侧隧道下穿地上框架结构隧道埋深分别为 和 图给出了不同隧道埋深条件下 体系和 体系右侧隧道的衬砌环向拉压动应力图中实线对应 体系虚线对应 体系从图中可以看出对于 无框架结构的 体系埋深为时隧道环向动应力 最大其次是埋深为时最小为埋深时而对于 含框架结构的 体系隧道环向动应力随埋深的增 加而逐渐减小即埋深为时环向动应力最大其次 是埋深时最小为埋深时同时地上框架结构 的存在使得下穿隧道的环向动应力均被不同程度地放 大 波入射时 体系衬砌最大拉压动应 第期张季等地震作用下软土隧道地上框架体系动力反应分析 力比 体系最大拉压动应力分别高出约 和 波入射 时 体系衬砌最大拉压动应力比 体系最大 拉压动应力分别高出约 和 图不同隧道埋深条件下 体系和 体系右侧隧道衬砌环向动应力比较 上述现象表明隧道埋深对隧道衬砌动应力响应 具有显著的影响当隧道下穿地上结构时埋深越浅 其受地上结构影响越显著动应力放大效应越明显 隧道上行线与下行线间距的影响 模型参数框架结构楼层数为层框架与右隧道 间距为 隧道埋深为 隧道上行线与下行线间距 分别为 和 图给出了 波入射时不同隧道双线间 距条件下 体系和 体系衬砌环向动应力可以 看出对于无地上框架结构的 体系当隧道间距为 时衬砌环向动应力较大随着隧道间距增大环 向动应力减小并且间距为和的环向动应力基 本接近这说明隧道间存在相互作用并且这种相互作 用会使得衬砌动应力增大当隧道间距大于时这 种相互作用可以忽略还可以看出对于有地上框架 结构的 体系其环向动应力总体上小于 体系 并且靠近框架结构一侧的隧道其动应力更小这说明 此模型参数条件下地上结构将会降低临近地铁隧道的 地震响应 图不同隧道间距条件下 体系 体系衬砌环向动应力比较 框架结构楼层数的影响 模型参数右侧隧道下穿地上框架结构隧道双线 间距为 隧道埋深为 框架结构楼层数分别为 层层层和层 图给出了 波入射时各楼层数条件下 的 体系与 体系衬砌环向拉压动应力从图 中可以看出对于左侧隧道非下穿隧道楼层数为 层和层的 体系衬砌动应力高于 体系左隧 道动应力动应力峰值处高出幅度分别约为 和 楼层数为层的 体系和 体系左隧道 动应力相当楼层数为层的 体系左隧道动应力 总体低于 体系动应力峰值处降低幅度约为 对于右侧隧道下穿隧道各楼层数 体 系右隧道动应力均明显大于 体系其中层框架 的 体系动应力响应最大其峰值较 体系峰值 高出约 其次分别是层层和层对应峰 值较 体系峰值高出约 和 还需要指出的是地上框架结构还可能改变右侧隧道 应力峰值的位置例如 体系右侧隧道受压应力峰 值在度左右而层框架 体系右侧隧道的压 应力峰值在度左右层层层情况均在 度左右 振 动 与 冲 击年第卷 图不同楼层数条件下的 体系与 体系衬砌环向动应力比较 上述现象表明地上框架结构的楼层数本质上是 其动力特性对临近地铁隧道动应力响应的影响是显 著的对于下穿框架结构的隧道结构其环向动应力会 被放大对于非下穿但紧邻框架结构的隧道结构其环 向动应力可能被放大也可能被缩小造成上述现象的 原因笔者认为主要有两个 框架结构基础由于刚度 大其对地震波的反射效应比较显著地震波经过下穿 型隧道后产生散射波散射波传至基础底面大部分又 将被反射回去所以前文中埋深越浅距离基础越近的 下穿型隧道其动应力峰值也越大 隧道与隧道隧道 与地基隧道与地上建筑间的动力相互作用是一种波 动型相互作用例如地上框架对下穿型隧道应力峰值 的放大并不随楼层数的增高而增大笔者曾经对两个 隧道间的动力相互作用做过分析发现隧道对地震波 场的影响呈现一种波状扰动可以猜想当隧道上方存 在建筑结构时这种波状扰动也必然体现在隧道与地 上建筑物间的动力相互作用中这就造成了地上框架 结构对非下