山嶺隧道震害機(jī)制與沉管隧道抗震簡(jiǎn)化分析方法.pdf

1、地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析方法是當(dāng)今工程抗震研究界重要的方向之一。近十年來的幾次典型地震中，包括“汶川”特大地震，地下工程設(shè)施及其結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象，引起世界各國(guó)地震工作者的高度重視。
　　 本研究試圖全面系統(tǒng)地總結(jié)國(guó)內(nèi)外地下結(jié)構(gòu)的抗震研究工作，以反映地下結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的發(fā)展水平和進(jìn)展，主要評(píng)述包括地下結(jié)構(gòu)的震害特征、地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)等方面。本研究工作主要分為兩部分:一方面，在總結(jié)汶川強(qiáng)地震中山嶺隧道震害特點(diǎn)的基

2、礎(chǔ)上，分析和評(píng)價(jià)了單洞隧道和雙線隧道的震害特征，并以距離震源較近的典型單洞隧道為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究隧道關(guān)鍵區(qū)段如洞口段和洞身段的震害機(jī)制，揭示豎向地震動(dòng)輸入對(duì)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律;另一方面，針對(duì)沉管長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)—土復(fù)雜體系抗震研究中存在的諸多問題，研究了表征沉管隧道接頭性能的宏觀力學(xué)模型和接頭剛度的解析表達(dá)式、適用于長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)高效地震響應(yīng)分析的抗震簡(jiǎn)化分析方法、以及基于回淤變化、溫度變化、行波效應(yīng)等多因素影響的長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律

3、。
　　 主要研究工作如下:
　　 1.總結(jié)評(píng)價(jià)山嶺隧道的震害特點(diǎn)。隧道震害調(diào)查表明，強(qiáng)震作用下隧道不僅在洞口會(huì)發(fā)生損害，洞身和隧道路面也會(huì)出現(xiàn)震害，震害的程度不僅與隧道所處位置（如震中距等）有關(guān)，還與隧道地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)型式等有密切的關(guān)聯(lián)。
　　 2.典型單洞山嶺隧道的震害機(jī)制分析。通過建立隧道-圍巖體系的三維精細(xì)化數(shù)值仿真模型，對(duì)隧道關(guān)鍵區(qū)段如洞口段和洞身段的震害機(jī)制進(jìn)行重點(diǎn)研究，分別進(jìn)行了兩種地震動(dòng)輸入工

4、況的數(shù)值分析:考慮與不考慮豎向地震動(dòng)輸入，從而揭示了豎向地震動(dòng)輸入對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。數(shù)值分析結(jié)果與震害調(diào)查現(xiàn)象基本吻合。分析結(jié)果表明，水平地震動(dòng)作用是控制隧道結(jié)構(gòu)損壞的首要因素，但豎向地震動(dòng)作用則將會(huì)進(jìn)一步加劇隧道結(jié)構(gòu)的震害程度。
　　 3.沉管長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)的抗震簡(jiǎn)化分析方法。建立表征沉管隧道接頭性能的宏觀力學(xué)模型，基于受力平衡和變形協(xié)調(diào)方程，推導(dǎo)表征隧道接頭剛度的解析表達(dá)式，將等效質(zhì)量一彈簧體系和土一結(jié)構(gòu)相互作用體系耦合

5、，提出了一種新的長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)抗震簡(jiǎn)化分析方法，建立了簡(jiǎn)化模型中的土體參振質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼系數(shù)，土體質(zhì)點(diǎn)之間相互作用的彈簧和阻尼系數(shù)以及土-結(jié)構(gòu)相互作用等參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　 4.基于多因素影響的沉管隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析。分別考慮不同回淤情況、不同溫度荷載、動(dòng)水壓力作用、不同土體參數(shù)、行波效應(yīng)、接頭預(yù)應(yīng)力拉索等多因素進(jìn)行長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)的三維動(dòng)力有限元分析，研究了多因素變化對(duì)整體隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，回淤會(huì)減

6、小隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，對(duì)隧道的安全運(yùn)行有利，溫度變化則會(huì)增大隧道接頭的張開量，而動(dòng)水壓力作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響可以忽略，局部場(chǎng)地條件和行波效應(yīng)是引起長(zhǎng)隧道非一致響應(yīng)的重要因素，接頭預(yù)應(yīng)力拉索可以有效地吸收地震時(shí)的變形，起到一定的減震作用。
　　 本項(xiàng)研究工作以理論分析和數(shù)值模擬為主要研究手段，結(jié)合實(shí)際工程展開，一方面，通過數(shù)值分析結(jié)果與震害現(xiàn)象對(duì)比，揭示了山嶺隧道的損傷機(jī)理和地震作用機(jī)制;另一方面，提出了適用于沉管長(zhǎng)隧道結(jié)構(gòu)高效地