穿越水平软弱夹层隧道结构的地震响应分析

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随着近些年来国内公路隧道、铁路隧道等基础设施的大力建设开发,涌现出了大量复杂地质条件下的地下工程,隧道结构穿越软弱夹层地质工况是其中具有代表性的之一。结合我国国家战略部署,可以预知,对于城市地下空间的开发是城市未来发展的必然趋势之一,因此随着时间的推移也将面临越来越多的复杂地下工程。以往学者对此类问题有过一些研究,但是大部分都是基于隧道结构穿越软弱夹层施工阶段的技术研究,对于穿越软弱夹层的隧道结构的抗震设计阶段的研究较少。研究表明,软弱夹层的存在无论是对场地还是对隧道结构的地震响应,都有着巨大的影响,如果不深入且综合的考虑夹层的影响,隧道结构设计往往是偏于危险的。由此可见,现阶段研究难以满足当今以及未来的工程需求,对于穿越软弱夹层的隧道结构的抗震设计存在实际的工程应用价值。基于此,本文以某一实际工程中穿越水平软弱夹层的隧道结构为例,探究软弱夹层对隧道结构抗震特性的影响规律,对各类影响因素(有/无软弱夹层、输入地震动特性、软弱夹层厚度、软弱夹层模量等)进行参数化分析,从结构横截面和纵向两个方面探究此类隧道结构的地震响应规律;最后,通过改变外在条件的方法探究降低软弱夹层震害影响的具体措施,提高人们对隧道结构的震害机理认识,提出提高此类隧道结构抗震性能的合理建议。主要成果如下:(1)软弱夹层的存在对隧道结构的水平绝对变形影响不大,但是对结构顶底相对变形影响却很大;软弱夹层的存在对隧道结构的弯矩影响最大,响应峰值差异超过20%,而对于剪力和轴力的影响有限;随着软弱夹层厚度的增大,隧道结构顶底相对变形、结构内力响应峰值均会逐渐增大;随着软弱夹层的弹性模量的增大,其对隧道结构变形和内力的影响均会逐渐减小。(2)软弱夹层的存在对隧道纵向地震响应的影响存在一定的范围,且在软弱夹层的分界位置,其对隧道结构地震响应的空间效应影响最为明显。当距离超过该位置后(远离隧道30m),隧道结构的地震响应逐渐接近于二维平面应变分析的结果。(3)软弱夹层的存在对隧道拱顶、拱底的弯矩影响较小,其各方向的弯矩峰值随位置变化不大;软弱夹层的存在对隧道拱腰、拱脚的内力影响较大,尤其是拱腰位置处弯矩My(峰值超过400k N·m·m-1)以及拱脚位置处弯矩Mz(峰值超过500k N·m·m-1)。整体来看,隧道结构Y方向的弯矩(My)均小于Z方向的弯矩(Mz),但当存在软弱夹层时,分界位置处的拱腰弯矩My也达到了400k N·m·m-1,因此在此类结构抗震设计中,除了需要考虑结构横截面内的弯矩Mz,还应该考虑软弱夹层分界位置处隧道纵向弯曲产生的弯矩My。(4)在隧道结构周边施加一定厚度的隔震层是降低甚至抵消软弱夹层对隧道地震响应影响的有效措施。以第二章中软弱夹层对隧道地震响应影响最大的工况12为例,在隧道周边施加0.5 m的隔震层即可基本消除软弱夹层对隧道的变形响应和弯矩响应的影响。
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