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。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

二、地下隧道结构抗震验算模型的建立与 应用

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1 在剪切波作用下,土体变位矢量图

图1 中 uG —剪切波行进时, 土体位移的最大幅值, 即场地地面位移的最大幅值; uS —剪切波行进时, X 轴线上土体的位移量;

uS —剪切波行进时, X′轴线( 即沿隧道走向) 上的土体位移量; L —剪切波的波长; L′—沿隧道走向X′轴线上,剪切波的视波长,即L′= L/ cos <; < —剪切波的入射角, 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 —2003 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duP FE = 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弹性阻抗系数; Uo —单元结构的外缘表面积;

三、各项 计算 参数的确定 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0106～0107N/ 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

(1

1) 式中 Gs —土的剪切模量。式

(1

1) 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:

π Δ(L′

2)= 2 (ζ2 + ζTB)

(1

2)

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。

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》,1961

[ 2 ]T. R. Kussel1BART 地下道抗震设计标准1 Proceedings of the American Socity of Civil

Engineerings ,Journal of the Structural Divi2sion Volume 95N576 ,J une 1969

[ 3 ] 中国 建筑 科学 研究院,清华大学1 地下管线爆炸振动试验与分析11975

[4 ] tice for Earthquake Resistant Design of High Pressure Gas Pipelines.K. Toki , Y. Fukumori , M. Sako , T. Tsabakimo . Recommended Prac2 1984