大跨度明挖現(xiàn)澆隧道工程結(jié)構(gòu)抗震分析

◇華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 杜偉

本文以蘇州市某淺埋明挖城市隧道為研究對(duì)象，采用靜力計(jì)算法和非線性動(dòng)力時(shí)程分析法，對(duì)隧道復(fù)雜大跨結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析，分析了典型軟土地層中淺埋隧道結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，分析結(jié)果表明，在設(shè)防地震作用下，地震對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響較小，結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性階段，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的參考意義。

城市地下隧道是城市交通和生命線的重要組成部分，隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能對(duì)保證城市交通安全非常重要[1]。1995年日本Kobe 大地震[2]城市地鐵大開(kāi)車站和上澤車站的嚴(yán)重倒塌破壞地震作用導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)大量倒塌破壞的第一次記錄[3]，之后關(guān)于地震作用下結(jié)構(gòu)破壞的報(bào)道逐漸增多，如1999年土耳其Duzce7.8級(jí)大地震[4]，1999年我國(guó)臺(tái)灣集集7.3 級(jí)地震[5]，2008年汶川8.0級(jí)地震[6]，2013年雅安7.0級(jí)地震[7]等。這些強(qiáng)震區(qū)地鐵車站和區(qū)間隧道工程遭受了大量破壞，促進(jìn)了各國(guó)學(xué)者逐漸意識(shí)到地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題的重要性，推動(dòng)了地下結(jié)構(gòu)抗震分析和評(píng)價(jià)理論的進(jìn)步和發(fā)展。

1 工程概況

本文依托蘇州市某城市隧道工程，采用明挖法施工，主線隧道為設(shè)計(jì)速度80km/h的雙向六車道城市快速路，隧道暗埋段結(jié)構(gòu)為兩孔一管廊結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)建筑方案，折板拱斷面型式用于覆土深及分合流鼻端，分合流鼻端折板拱結(jié)構(gòu)單孔凈寬22.85m，凈高8.15～9.30m。

圖1 主體結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖（單位：m）

2 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如下所示。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

（2）抗震設(shè)防烈度為：結(jié)構(gòu)按7度抗震設(shè)防烈度要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震承載能力、變形驗(yàn)算，并按8度設(shè)防采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

（3）地表設(shè)計(jì)地震加速度幅值：設(shè)防（E2）地震取50年超越概率10%的0.125g（III類場(chǎng)地）、0.1g（II類場(chǎng)地）；罕遇（E3）地震取50年超越概率2%的0.220g（III類場(chǎng)地）、0.220g（II類場(chǎng)地）。

（4）工程抗震設(shè)防分類：乙類（重點(diǎn)設(shè)防）。

（5）抗震等級(jí)：三級(jí)。

3 靜力計(jì)算分析

主體結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

主體結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)基本組合及正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖3～4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果知，在主線頂板中支座、主線頂板跨中、主線底板跨中、主線底板中支座、主線中隔墻底部、主線中隔墻頂部等部位彎矩值大，對(duì)配筋和結(jié)構(gòu)尺寸起作用控制。

圖3 承載能力極限狀態(tài)基本組合彎矩圖

圖4 正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合彎矩圖

4 地震作用計(jì)算分析

時(shí)程分析法將地震運(yùn)動(dòng)視為一個(gè)隨時(shí)間而變化的過(guò)程，并將地下結(jié)構(gòu)物和周圍巖土體介質(zhì)視為共同受力變形的整體，通過(guò)直接輸入地震加速度記錄，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算結(jié)構(gòu)物和巖土體介質(zhì)在各時(shí)刻的位移、速度、加速度，以及應(yīng)變和內(nèi)力，并進(jìn)而驗(yàn)算場(chǎng)地的穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。

4.1 地震波

兩條實(shí)測(cè)波選用典型地震波EIcent-t波和Kobe波，人工波選用場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的蘇州波，在設(shè)防和罕遇作用下的地震動(dòng)加速度時(shí)程如下。

（1）E2地震作用（重現(xiàn)期475年）：50年超越概率10%的地震波時(shí)程，加速度幅值76.356cm/s2，積分步長(zhǎng)0.02s，持時(shí)40s。

圖5 人工波設(shè)防地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線

（2）E3地震作用（重現(xiàn)期2450年）：50年超越概率2%的地震動(dòng)時(shí)程，加速度幅值-138.324 cm/s2，積分步長(zhǎng)0.02s，持時(shí)40s。

圖6 人工波罕遇地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線

在采用以上三條地震波開(kāi)展時(shí)程分析法時(shí)，按照相應(yīng)設(shè)防地震和罕遇地震的地表設(shè)計(jì)地震加速度峰值為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)幅。

4.2 抗震計(jì)算模型

橫向地震作用時(shí)程分析建立非線性時(shí)程分析計(jì)算模型及隧道結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖7。場(chǎng)地類別為II類場(chǎng)地，模型深度取覆蓋層厚約50m，兩側(cè)范圍分別取大于結(jié)構(gòu)寬度的3倍長(zhǎng)度進(jìn)行延展，模型兩側(cè)采用自由場(chǎng)邊界，底部水平向自由，豎向約束，并通過(guò)大質(zhì)量法輸入基巖加速度。

圖7 非線性時(shí)程分析模型

圖8 隧道結(jié)構(gòu)模型

4.3 截面內(nèi)力

在橫向設(shè)防地震作用下，分別計(jì)算地震作用下對(duì)應(yīng)的內(nèi)力值。

（1）設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果（見(jiàn)圖9）。

圖9 設(shè)防地震作用下彎矩圖

（2）截面抗震驗(yàn)算。

將不同荷載和方向下的地震工況下的軸力、剪力和彎矩值分別列于下表之中，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，抗震工況對(duì)本結(jié)構(gòu)不起控制作用。

（3）罕遇地震作用下隧道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果。

表1 控制截面內(nèi)力驗(yàn)算表

表2 罕遇地震作用下隧道結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

5 結(jié)論

本文以某城市隧道分合流段復(fù)雜結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用非線性時(shí)程分析法，對(duì)設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能以及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：①在設(shè)防地震作用下，對(duì)各個(gè)斷面的關(guān)鍵控制截面進(jìn)行了配筋驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、裂縫控制驗(yàn)算，構(gòu)件各截面及配筋均滿足抗震設(shè)計(jì)要求。各構(gòu)件截面尺寸及配筋均由正常使用極限狀態(tài)的準(zhǔn)永久組合使用工況下的計(jì)算控制，地震工況不起控制作用。結(jié)構(gòu)未進(jìn)入或局部進(jìn)入彈塑性工作階段，抗震變形驗(yàn)算滿足抗震規(guī)范要求。②結(jié)構(gòu)總體滿足抗震設(shè)防性能要求，抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施?？拐鸫胧┌凑毡镜貐^(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求確定。