南京某地鐵隧道結(jié)構(gòu)抗震性能分析

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)及國(guó)際關(guān)系的緊密連接促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展，而作為承載相互關(guān)系形成的重要工具，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)更是迎來(lái)了重要契機(jī)［1］。此時(shí)，地鐵隧道憑借其獨(dú)立的交通方式應(yīng)運(yùn)而生，成為緩解城市交通不可或缺的重要拼圖。相對(duì)于地面建筑地震危害而言，地鐵隧道因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，人們往往認(rèn)為地鐵隧道抗震性能較地上建筑存在一定優(yōu)勢(shì)。但是近些年來(lái)，地震導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)破壞的案列比比皆是。1985年，墨西哥8.1級(jí)地震，由于地基為軟弱土層，致使地鐵側(cè)墻與地表結(jié)構(gòu)相交部位產(chǎn)生裂縫而破壞［2］；1995年阪神地震中，神戶市內(nèi)地鐵線路的車站中，多處隧道部分均遭到不可逆轉(zhuǎn)的破壞［3］。于是，多次地震導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題受到了全世界的關(guān)注，隧道及地下工程的抗震性能問(wèn)題成為近年來(lái)地震問(wèn)題研究的重點(diǎn)。

目前隧道與地下結(jié)構(gòu)工程抗震分析中，以靜力法、反應(yīng)位移法、動(dòng)力分析法最具代表性。其中，靜力法所需計(jì)算參數(shù)較為容易讀取，計(jì)算簡(jiǎn)便，但所得數(shù)據(jù)較為粗糙，與實(shí)際結(jié)果偏差較大；反應(yīng)位移法操作簡(jiǎn)便，但應(yīng)用領(lǐng)域存在一定局域性，只適用于均勻地質(zhì)中；動(dòng)力分析法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，理論上能達(dá)到較高精度，但其對(duì)邊界模擬、地震波選擇、材料參數(shù)選取要求較高，建模和后期處理也較為復(fù)雜［4］。

本文采用反應(yīng)位移法及時(shí)程分析法，通過(guò)收集地質(zhì)水文地震等計(jì)算所需設(shè)計(jì)參數(shù)，分析隧道管片在地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)薄弱位置，論證隧道管片考慮抗震工況時(shí)的配筋設(shè)計(jì)，從而為該地區(qū)地鐵隧道抗震設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 工程概況

區(qū)間全長(zhǎng)約877 m，底板埋深19.12～29.73 m，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。隧道穿越地層為③-2b2層可塑粉質(zhì)黏土、③-3b1-2層可塑—硬塑粉質(zhì)黏土、③-4e層可塑—硬塑含卵礫石粉質(zhì)黏土、K1g-0層殘積土、K1g-2層強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、K1g-2-2層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、含礫砂巖、K1g-3-1-1中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、K1g-3-1中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。③-4e可塑—硬塑含卵礫石粉質(zhì)黏土為承壓含水層，中風(fēng)化巖主要為極軟巖—軟巖。各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》［5］，南京地區(qū)抗震設(shè)防烈度為七度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g，南京地區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50111—2006）》［6］特征周期分區(qū)為一區(qū)。

2 反應(yīng)位移法結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 地震力作用及計(jì)算

地震力作用主要由土層相對(duì)位移、地層剪力以及結(jié)構(gòu)慣性力組成，其中影響占比較高的為地層相對(duì)位移及地層剪力，結(jié)構(gòu)自身慣性力的影響相對(duì)較小。

本工程區(qū)間結(jié)構(gòu)利用Midas建模時(shí)，單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度約為1 m，縱向取1 m長(zhǎng)度計(jì)算。地層相對(duì)位移及地層剪力、結(jié)構(gòu)自身慣性力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 E2作用下地層位移

2.2 荷載取值及計(jì)算簡(jiǎn)圖

模型中管片板厚為0.35 m，其余計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 區(qū)間模型計(jì)算參數(shù)

計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行，計(jì)算簡(jiǎn)圖繪制見(jiàn)圖1。

圖1 地震作用計(jì)算

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 軸力

結(jié)構(gòu)均處于軸向受壓狀態(tài)，最大軸力為882 kN。

2.3.2 剪力

結(jié)構(gòu)的剪力分布呈現(xiàn)出以模型135°方向直徑為對(duì)稱軸對(duì)稱的形式，結(jié)構(gòu)最大剪力為116 kN。

2.3.3 彎矩

結(jié)構(gòu)最大彎矩值為126 kN·m。

2.4 變形結(jié)果與分析

選取荷載1作用下的變形結(jié)果進(jìn)行分析。區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)地震作用下，水平最大位移為11.2 mm，發(fā)生在區(qū)間隧道拱頂位置處，拱底位置處位移較小。

3 時(shí)程分析計(jì)算分析

采用GTS NX建模見(jiàn)圖2?？紤]水平和豎向地震波的影響，計(jì)算模型的人工邊界距地下結(jié)構(gòu)不小于3倍地下結(jié)構(gòu)水平有效寬度。根據(jù)計(jì)算分析需要，模型的尺寸為X×Z=400 m×52 m選取土巖結(jié)合面位置建立模型，管片厚度0.35 m，注漿厚度為盾構(gòu)襯砌外2 m。模型左右兩側(cè)約束X方向的平動(dòng)自由度，底部約束X、Y兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

圖2 二維時(shí)程法計(jì)算模型

根據(jù)《南京某地鐵二期工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》的內(nèi)容及抗震設(shè)計(jì)條件，選取E2地震作用下4條人工擬合地震波（荷載1—荷載3），波形圖見(jiàn)圖3。

圖3 E2地震作用下3種不同地震波

3.1 內(nèi)力結(jié)果與分析

選取荷載3作用下的內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行分析。

1）軸力 結(jié)構(gòu)均處于軸向受壓狀態(tài)，最大軸力為1150 kN。

2）剪力 結(jié)構(gòu)的剪力分布呈現(xiàn)出以模型135°方向直徑為對(duì)稱軸對(duì)稱的形式，結(jié)構(gòu)最大剪力為104 kN。

3）彎矩 結(jié)構(gòu)最大彎矩值為93 kN·m。

3.2 變形結(jié)果與分析

選取荷載3作用下的變形結(jié)果進(jìn)行分析。區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)地震作用下，水平最大位移9.1 mm，發(fā)生在區(qū)間隧道拱頂位置處，拱底位置處位移較小。

4 結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)

將3種分析方法計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)橫斷面內(nèi)的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表4。

由表4中的數(shù)據(jù)可知，靜力工況下計(jì)算出的內(nèi)力，反應(yīng)位移法、時(shí)程分析法計(jì)算出的內(nèi)力值依次呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，并通過(guò)與現(xiàn)實(shí)施工過(guò)程中位移變形所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)時(shí)程分析法所得數(shù)據(jù)與實(shí)際情況較相近。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》［5］，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震驗(yàn)算應(yīng)采用下式：

表4 區(qū)間橫斷面應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

式中：S為荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；

R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值；

γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.85。

在抗震設(shè)計(jì)中，管片按壓彎構(gòu)件考慮，頂板和底板按純彎構(gòu)件考慮。對(duì)管片各項(xiàng)應(yīng)力值行進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》［7］計(jì)算截面配筋，見(jiàn)表5。

表5 截面配筋結(jié)果

E2地震作用下，結(jié)構(gòu)整體差異位移量未超出限制，滿足抗震性能中“經(jīng)一般修理后仍可繼續(xù)使用”的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)二維反應(yīng)位移法以及時(shí)程分析法，以南京地鐵為工程實(shí)例，比對(duì)靜力結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)彎矩、軸力、剪力均大于反應(yīng)位移法與時(shí)程分析法所得數(shù)據(jù)且呈現(xiàn)逐步遞減趨勢(shì)，初步分析其原因?yàn)榈罔F隧道埋深較深導(dǎo)致。綜合來(lái)看，本文計(jì)算采用的各參數(shù)取值較為合理，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況相符合，能較好模擬地鐵隧道在各工況下的地震反應(yīng)情況。同時(shí)，本文通過(guò)對(duì)管片的內(nèi)力值包絡(luò)統(tǒng)計(jì)，給出了合適的管片截面配筋率，驗(yàn)證了本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足南京區(qū)域抗震性能要求，對(duì)南京區(qū)域地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。