基于柔性節(jié)點的高烈度區(qū)盾構隧道縱向地震反應減震分析

張 穎，李志山，徐 麗，陳華霆，羅俊杰

（廣州大學工程抗震研究中心，廣州 510405）

基于柔性節(jié)點的高烈度區(qū)盾構隧道縱向地震反應減震分析

張 穎，李志山，徐 麗，陳華霆，羅俊杰

（廣州大學工程抗震研究中心，廣州 510405）

以某特長超大盾構海底隧道為背景，提出了一種新型的SMA形狀記憶合金柔性減震節(jié)點。采用基于縱向梁-彈簧模型的反應位移法，研究了該消能減震措施對高烈度區(qū)盾構隧道縱向地震反應控制的機理和有效性。結果表明：該柔性減震節(jié)點可有效改善土層變化區(qū)域接頭的張開量，提高整段盾構隧道的抗震性能，且減震節(jié)點的集中變形在經歷地震后可一定程度上回復原位，確保隧道在地震作用下的安全。

盾構隧道；柔性減震節(jié)點；縱向地震反應；減震機理

0 引言

在1995年以前，大家普遍認為地下結構受周圍土體約束較難遭受地震災害，對隧道結構的抗震研究關注較少。但1995年日本阪神地震打破了大家的傳統(tǒng)思維。在這次地震中，地鐵車站-區(qū)間隧道為代表的大型地下結構遭受嚴重破壞，暴露出地下結構抗震的諸多問題，引起了學者和工程師對地下結構震害的密切關注[1]。隨著我國基礎建設的發(fā)展和選址的限制，越來越多的隧道工程會不可避免的修建在活斷層附近和高烈度地震區(qū)，為此，必須對高烈地震區(qū)隧道工程的減震技術進行深入研究[2]。

盾構隧道為地下線形結構物，縱向靠螺栓連接，存在大量的連接縫，整體性較差，地震下容易出現環(huán)縫張開量過大而滲漏的現象，故盾構隧道縱向抗震行為的研究是相當重要的課題[3-4]。隧道的縱向地震反應通常會因土層的不連續(xù)、結構形式與材料的改變和邊界條件的不同，造成部分區(qū)域有應力集中或位移過大的現象。目前，處理此問題的常見措施主要有兩類方法：柔性節(jié)點和隔震。前者通過在特定位置增加隧道縱向和橫向的容許位移、提供有效的防水來抵抗集中的變形[5]，柔性節(jié)點僅為構造措施，對實際地震作用并無降低；后者隔震是在隧道與土體之間增加一層彈性材料，用來有效降低土體對隧道的直接作用[6]，但造價高昂，且不便于施工。

SMA形狀記憶合金具有超彈性的性能，是良好的減震裝置。一般常用的記憶合金是由55.9%的鎳和44.1%的鈦組成，可恢復的應變達8%，極限應變達17%。記憶合金能在可恢復的應變內，形成滯回曲線消散地震所產生的能量，在工程結構的減震控制當中廣泛應用[7-9]。本文研究開發(fā)了一種新型的SMA形狀記憶合金柔性減震節(jié)點，探討及分析了其在減少盾構隧道縱向地震反應方面的減震機理和有效性，為高烈度區(qū)盾構隧道的抗震提供了一條新的思路。

1 隧道縱向地震反應分析

1.1 分析模型

盾構隧道縱向分析簡化的計算模型，目前主要有縱向梁-彈簧模型，如圖 1所示?？v向梁-彈簧模型以梁單元模擬襯砌環(huán)，以接頭彈簧的軸向、剪切和轉動效應模擬環(huán)向接頭和螺栓，以地層彈簧模擬圍巖與隧道之間的相互作用。從工程的角度而言，梁-彈簧模型能夠合理反映盾構隧道的縱向結構特性。

圖1 隧道縱向梁-彈簧模型Fig.1 Longitudinal beam-spring model of the tunnel

（1）環(huán)間接頭軸向彈簧剛度KA。盾構隧道管環(huán)受拉時，環(huán)間接頭拉力由螺栓提供，接頭的軸向抗拉剛度看成是各個連接螺栓剛度的總和；管環(huán)受壓時，只有管段受壓而連接螺栓不再受力，接頭的軸向抗壓剛度為

式（1）中，EC為混凝土彈性模量，AC為管環(huán)截面面積，lS為管環(huán)長度。

受拉彈性剛度為

式（2）中，n為螺栓個數，kS為單個螺栓彈性剛度。（2）環(huán)間接頭轉動彈簧剛度Kθ。環(huán)間接頭受彎時，在受拉區(qū)，由連接螺栓承擔拉應力，在受壓區(qū)，由管段混凝土單獨承擔壓應力，管段混凝土應力始終處于彈性狀態(tài)；截面變形符合平截面和小變形假定。當接頭螺栓完全在彈性時，應力和變形情況如圖2所示，x、φ分別為中性軸的位置和角度，其中

圖2 接頭的彈性應變應力分布Fig.2 Elastic strain and stress distribution of the joint

受拉區(qū)變形只含接頭螺栓的變形，不含混凝土的受拉變形，這與等效連續(xù)梁模型有所差別，這是因為本模型計算過程中接頭與管環(huán)分別考慮，因此在計算接頭轉動剛度時受拉區(qū)只需反映環(huán)間螺栓的變形即可。

接頭的變形協調條件為

式（4）、（5）中， εC為管環(huán)邊緣混凝土受壓應變，θ為接頭轉角。

接頭力的平衡條件為

式（6）中，t為管環(huán)厚度，kr為環(huán)間接頭抗拉彈簧的線密度， kr=Kj1/（2πr） 或 Kj2/（2πr）。

將式（3）、式（5）代入式（6）中可得

其中，β=KAt/KAc

根據變形協調條件和力的平衡條件，接頭抗彎剛度表達式為

（3）環(huán)間接頭剪切彈簧剛度Ks

假定環(huán)間接頭的剪切彈簧剛度為無窮大。

1.2 分析方法

隧道縱向地震反應分析方法可以分為基于梁-彈簧模型的反應位移法和土、隧道結構皆為實體單元（或結構為殼單元）表達的三維有限元方法。前者較為簡單，而且可以刻畫出隧道整體的宏觀特性；后者雖然可以精確表現結構部件的細觀反應，但建模復雜且計算量大。

反應位移法應用比較廣泛，最初用于埋管等線狀地下結構縱向的地震響應分析中，由于其分析方法明確、簡單易行，近來越來越多的應用于大斷面隧道的計算分析中[10-11]。反應位移法的基本原理是：首先評價隧道與地層的相互作用，即先計算隧道所處位置還沒有修建隧道時的空洞地層位移，再將該位移通過地層彈簧作用于隧道結構上進行分析。在實際應用中，隧道縱向的反應位移法分為狹義反應位移法和廣義反應位移法兩種。本文分析采用廣義反應位移法對隧道縱向進行整體抗震分析，以強制位移的荷載形式作用于分析模型。對于隧道縱向的位移分布，沿隧道縱向選出若干典型土層斷面進行一維場地地震響應分析，求出隧道中心處的位移時程響應，將一系列的位移時程響應輸入到相應的地基彈簧固定端。

2 柔性減震節(jié)點

在大震作用下，盾構隧道于環(huán)片間會因軸力損失、過大彎矩和周圍土層的位移等，導致兩連環(huán)片出現張開的現象。為了減少此類的災害發(fā)生，于可能出現較大張開效應的位置，安裝柔性節(jié)點。常見的柔性節(jié)點，主要為兩層止水橡膠和一抗拉裝置所組成。此抗拉裝置不存在減震能力，并于大震過后會存在永久變位。在傳統(tǒng)柔性節(jié)點的基礎上，本文研究開發(fā)了一種新型的柔性減震節(jié)點，將SMA形狀記憶合金桿安裝于抗拉裝置的位置。SMA具有超彈性、可復位性和強大的耗能特性，是作為隧道減震節(jié)點的理想手段。

形狀記憶合金的力學行為采用簡化的雙線性旗子狀來模擬，并僅考慮在拉方向上的作用。圖3為計算時形狀記憶合金應力與應變的模型，形狀記憶合金的的屈服應變可以認為是,而彈性模量為和所在的直線段為非線性應力的上下限。當應變小于時，形狀記憶合金則恢復至線彈性。

圖3 形狀記憶合金應力與應變關系Fig.3 Strain-stress constitutive relations of SMA

柔性減震節(jié)點示意圖如圖4所示，由以下幾部分構成：①形狀記憶合金阻尼器（由鋼絞線、形狀記憶合金桿、啞鈴式扣件組成）；②彈性防水墊塊，允許變形需滿足計算最大張開量1.2倍的要求；③波紋型防水擋塊，可拉伸變形需滿足計算最大張開量1.2倍的要求。

圖4 柔性減震節(jié)點示意圖Fig.4 Sketch of the flexible damping joint

由于此減震裝置僅考慮抗拉的區(qū)段，必須通過鋼絞線與形狀記憶合金桿串聯，保證整體減震裝置僅受拉力作用。形狀記憶合金的剛度需遠小于鋼絞線的總體剛度，以保證記憶合金桿的變形集中性能。鋼絞線采用多束并聯的方式，主要考慮當多鋼絞線合成一束，因為長度較短，產生部分的軸壓剛度，不利于形狀記憶合金桿保有僅受拉的特性。此外，兩道防水層可保證減震節(jié)點在允許的大變形下不漏水。

3 算例分析

某特長的超大直徑盾構海底隧道全長5300 m，其中盾構段2705 m，盾構段與明挖段間采用豎井連接。盾構隧道的每管片長2 m，單管外徑14.5 m，內徑13.3 m，每管可容納三條車道。管片環(huán)縫采用42個φ36的螺栓連接，螺栓長度750 mm。隧道位于8度地震設防區(qū)，且穿越砂土、硬巖、淤泥軟土等高低錯落的不同土層，地質條件復雜，對抵抗地震災害極其不利。盾構隧道橫斷面圖如圖5所示。

圖5 盾構隧道縱向橫斷面圖Fig.5 Cross-sectional profile of the shield tunnel

根據上面介紹的梁-彈簧模型，在ABAQUS中對該盾構隧道工程建立了三維空間有限元模型進行縱向地震反應的分析。選用中空的三維線性B31梁單元模擬隧道管環(huán)，其EA、EI與GA等效于實際管環(huán)。考慮隧道管環(huán)縱縫的影響，各個梁單元之間斷開，通過一個旋轉彈簧和拉壓異性彈簧連接。同時，由于隧道周圍土體屬性有差別，對于每段管環(huán)通過4個土層彈簧分別考慮隧道上、下、左、右4個方向的土體剛度屬性。有限元模型如圖6所示，環(huán)縫接頭的彈簧參數和根據不同土層基床反力系數計算得到的地基彈簧參數分別如表1和表2所示。

圖6 盾構隧道有限元模型Fig.6 Finite element model of the shield tunnel

表1 普通螺栓接頭彈簧參數Table 1 Spring parameters of the joints

3.1 減震布置方案

盾構隧道由大量的管片通過螺栓等方式連結拼裝而成，整個盾構隧道結構有大量的接縫。盾構隧道的縱向抗震性能，主要需考慮隧道接縫防擬采用形狀記憶合金阻尼器柔性減震節(jié)點外加相鄰局部接頭螺栓加強的措施，具體方案如圖7所示。在花巖兩側土層變化處布置兩道柔性減震節(jié)點特殊鋼管片，每管片內設置40套形狀記憶合金阻尼器，同時在特殊鋼管片兩側100～500 m范圍內和南岸(0坐標處）豎井100 m范圍內的接頭螺栓局部加強，最大增加至非加強區(qū)螺栓數量的兩倍。柔性減震節(jié)點的橫截面布置如圖8所示，計算參數見表3。水性能的要求。因此可將隧道縱向環(huán)間接縫張開量作為一個重要的性能指標。采用縱向梁-彈簧模型進行初步抗震計算分析，罕遇地震下，隧道軟硬巖交界處環(huán)縫接頭受拉彎共同作用，其最大張開量在一定區(qū)域內（約100 m）超出15 mm，無法滿足隧道防水及安全運營的要求，有必要對其采取減震措施。

表2 隧道周邊圍巖地基彈簧參數Table 2 Foundation spring parameters of surrounding soils

表3 柔性減震節(jié)點參數Table 2 Parameters of the flexible damping joints

圖7 減震方案縱向布置Fig.7 Damping Plan layout along longitude

圖8 柔性減震節(jié)點橫斷面布置圖Fig.8 Transverse layout of the flexible damping joint

3.2 減震效果分析

通過改變設置柔性減震節(jié)點處和局部螺栓加強處的彈簧剛度參數和考慮形狀記憶合金阻尼器的非線性滯回耗能性能，對采取了減震方案措施的隧道和傳統(tǒng)抗震的隧道進行了縱向地震響應對比分析。地震動以廣義位移的形式加載到模型中的土彈簧固定端，該位移波通過場地的有限元分析得到，并在基巖處考慮行波效應的影響。同時考察了隧道在罕遇烈度下（0.4 g）和超烈度地震下（0.6 g）的安全性和減震效果。接頭張開量減震效果對比結果如圖9所示。圖中紅色虛線為布置了減震節(jié)點措施的接頭張開量包絡圖；黑色實線為傳統(tǒng)設計方案的接頭張開量包絡圖。由圖中可以看出，在柔性減震節(jié)點處，接頭變形出現較明顯的集中，同時改善了一定范圍內（約200 m）其他普通接頭的張開量，使其變形趨于均勻。除柔性減震節(jié)點位置，隧道全線接頭張開量均小于15 mm，確保隧道在罕遇地震作用下處于安全狀態(tài)，柔性減震節(jié)點在采取特殊的防水的處理后，可保證隧道接頭不漏水。形狀記憶合金桿具有復位功能，可保證經歷地震后柔性減震節(jié)點處的接頭在一定程度上回復原位。此外，在遭遇超烈度地震作用時，未采取減震措施的普通隧道接頭張開量大量超過15 mm，而采取減震措施后，只有極個別的隧道普通接頭張開量超過15 mm，有效地提高了隧道的地震安全儲備。

圖9 接頭張開量減震效果對比圖Fig.9 Seismic response comparison of the joint openings

3.3 減震機理描述

形狀記憶合金柔性節(jié)點的減震機理可描述為以下幾點：①柔性減震節(jié)點的抗拉剛度只有普通接頭螺栓剛度的1/14，能產生變形集中的效應，降低土層變化區(qū)域普通接頭的地震作用；②形狀記憶合金桿具有自復位功能，適應地震過程中的往復變形，且可提供一定的殘余變形恢復力；③柔性減震節(jié)點相鄰區(qū)域的接頭螺栓加強，有利于傳遞遠端接頭變形集中至柔性節(jié)點處；④彈性防水墊塊具有較大的壓縮量，可保證在允許張開量下不漏水；波紋型防水擋板可拉伸一定的長度，構成了第二道止水措施。

4 結語

盾構隧道的減震控制是一個全新的概念和大膽的創(chuàng)新，具有廣闊的工程應用前景。本文提出的SMA形狀記憶合金柔性減震節(jié)點具有耗能和自復位的功能，可改善盾構隧道土層變化處一定范圍內接頭的張開量，提高隧道在地震下的安全儲備。同時，減震節(jié)點的集中變形在經歷地震后，可一定程度上回復原位，減少維護的需求。當然，該柔性減震節(jié)點在應用于實際之前還有亟待解決的問題，如消能節(jié)點參數的優(yōu)化設計、柔性減震接頭的節(jié)點力學性能試驗、含減震接頭管環(huán)的模擬振動臺試驗等。

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Analysis of Seismic Longitudinal Response Control of Shield Tunnel in Highly Seismic Zone Based on Flexible Joints

ZHANG Ying， LI Zhishan， XU Li， CHEN Huating， LUO Junjie

（Earthquake Engineering Research&Test Center， Guangzhou University， Guangzhou 510405， China)

In the background of a seismic resistant project of a super large and long shield tunnel，a novel flexible damping joint developed by SMA shaped memory alloy is proposed.The mechanism and effectiveness of the damping measure on controlling the seismic longitudinal response of shield tunnel in high intensity seismic zone is analyzed by using response displacement method based on the longitudinal beam-spring model.The results show that the openings of the joints located on the soil variation area can be mitigated obviously by adopting the flexible damping joint measure,which is able to improve the anti-seismic performance of the entire shield tunnel.The concentrated deformations of the damping joints can be restored to the original position partly after the earthquake.The control measure can well protect the shield tunnel from destroyed by earthquake.

Shield tunnel； Flexible damping joint； Seismic longitudinal response； Control mechanism

U452.2

A

1001-8662（2017）02-0079-07

10.13512/j.hndz.2017.02.013

張 穎，李志山，徐 麗，等.基于柔性節(jié)點的高烈度區(qū)盾構隧道縱向地震反應減震分析[J].華南地震，2017，37（2）：79-85.[ZHANG Ying，LI Zhishan， XU Li， et al.Analysis of Seismic Longitudinal Response Control of Shield Tunnel in Highly Seismic Zone Based on Flexible Joints[J].South china journal of seismology，2017，37（2）：79-85.]

2017-03-23

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2011CB013600）；教育部創(chuàng)新團隊研究計劃項目（IRT13057）；國家自然科學基金（51208129）

張 穎 （1980-），男，博士，助理研究員，從事工程結構抗震與減震控制研究。

E-mail：jerry_zy515@163.com.