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通过活断层区地铁隧道地震反应分析

赵颖  
【摘要】:地铁隧道作为生命线工程的重要组成部分,其抗震问题日益受到关注。早期人们认为地下结构受周围土体的约束,具有良好的抗震性能,但1995年日本阪神地震造成了神户市部分地铁车站和区间隧道受损严重,震后修复困难,产生巨大的经济损失,才使人们意识到地下结构的抗震问题也不容忽视。我国是世界上多地震国家之一,处于活动期的断层在我国分布较广,为避免使结构遭受活断层错动引发的震害,避让措施成为地铁隧道建设选线设计中的首选。然而,为了满足交通功能的需要,在许多情况下地铁线路的走向不可避免的要经过活断层,活断层错动及地震动作用会对地铁、隧道等地下工程构成严重威胁。目前对于通过活断层区隧道抗震方面的相关研究不够深入,还没有制定合理完整的跨断层地下结构抗震设计规范。为了研究通过地震活断层区地铁隧道的地震反应特征及损伤破坏机理,发现其抗震薄弱环节,以便为其抗震设计和安全性评价提供参考依据,本论文主要完成了以下研究工作: 1.搜集了世界范围内活断层断裂引发地表位错的历史震害资料,采用统计回归分析方法根据所搜集的震害数据回归拟合了不同断层类型基岩位错与震级之间的统计关系式。基于拟静力弹塑性有限元方法编制的覆盖土层地震断裂分析软件,研究了不同土层性质下的地表断裂位错,经过大量的计算分析分别建立了走滑断层位错作用下地表位错与震级、覆盖土层厚度之间的关系式,以及逆断层位错作用下地表位错与震级、覆盖土层厚度、断层倾角之间的关系式,而不仅仅局限于根据震级大小来估算地表位错,以便能够较准确地根据断裂可能发生的地震震级估计工程场地可能出现的地表位错。研究指出增加基岩上覆土层厚度能够减轻地表的破坏程度,场地土为粉质粘土时产生的震害相对于场地土为粘土时要重。 2.以北京地铁7号线的区间隧道作为工程背景,基于拟静力有限元方法,利用损伤指标研究了隧道衬砌结构在不同断层类型位错作用下的损伤破坏机理,重点分析了结构损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度。研究结果表明,正、逆断层位错作用下,隧道衬砌拱顶部位最先出现损伤且损伤最为严重。走滑断层位错作用下,衬砌结构拱腰部位最先出现损伤且损伤最为严重。隧道衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围内。通过对不同工况进行大量的计算分析建立了不同断层类型位错作用下,可不考虑断层位错影响的临界覆盖土层厚度与断层位错量之间的关系式,回归拟合了能够估计隧道结构在断层位错作用下的损伤区域范围以及破坏最严重处的位置的关系式,为通过活断层区埋地隧道的抗震设计提供了参考依据。根据计算结果给出了适用于北京地区,针对不同震级情况下,可不考虑活断层错动对于浅埋隧道影响的工程场地覆盖土层厚度值。此外,从衬砌厚度、衬砌外径、土层性质、隧道埋深和隧道与断层的交角五个方面对减轻地铁隧道震害的影响因素进行了分析。 3.对在地震荷载作用下结构响应的应变率范围内混凝土和钢筋材料的动态强度特性和变形特性进行了试验研究。利用试验结果对《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中给出的混凝土静态本构模型进行了修正,建立了混凝土动态损伤本构模型,并研究了混凝土的损伤值与应变速率之间的关系,分析了在高应变率下混凝土损伤产生滞后现象的原因。 4.通过在有限元软件中嵌入合理的混凝土动态损伤本构模型,考虑了损伤与应变速率之间的关系,采用数值模拟方法研究了活断层错动速率对隧道结构抵抗断层位错的能力、变形特性以及破坏形态的影响。计算结果表明,随着活断层错动速率的增加,隧道结构在弹性阶段抵抗断层位错的能力呈现出提高的趋势。断层错动速率越快,隧道结构的变形能力越差,结构破坏的越突然,破损程度越严重。 5.通过在有限元模型中施加无限元边界,合理的模拟了半无限域空间土体,实现了计算区域无限大的特点。通过算例验证了无限元边界能够很好地模拟波动穿过边界的情况,与实际波动在土体中的传播规律基本相符。建立了地基土‐隧道体系整体有限元、无限元耦合模型,选用3条典型地震波作为地震动输入,对隧道结构进行了地震反应时程分析,总结了在地震动作用下隧道结构的震害特征与破坏机理。计算结果表明,拱顶部位是整个结构地震反应中相对较为薄弱部位。


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