隧道對(duì)附近地面建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

李延濤，周占學(xué)

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

隧道對(duì)附近地面建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

李延濤1，周占學(xué)2

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

為探討地下隧道對(duì)附近地面高層建筑地震反應(yīng)的影響，對(duì)均勻場(chǎng)地下一高層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：隧道位于建筑下方時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響最大，使得結(jié)構(gòu)的自振周期、位移加大而彎矩變小；隧道位于其他位置時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響并非簡(jiǎn)單地隨距離的增大而減小，而是表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性；隧道對(duì)結(jié)構(gòu)地下部分地震反應(yīng)的影響很小．

隧道；高層建筑；抗震性能；有限元

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，地鐵、防空洞等地下空間的開(kāi)發(fā)利用正大規(guī)模展開(kāi)，很多建筑物建設(shè)于地下隧道附近，且近距離穿越結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)象明顯增多．以往的研究大多集中于隧道結(jié)構(gòu)本身的地震反應(yīng)，而對(duì)臨近地面的建筑抗震性能的影響則研究較少．研究表明，地震波在傳播過(guò)程中將與隧道發(fā)生相互作用，從而使得隧道表面任何一點(diǎn)成為一個(gè)新的波源，這些新的波源向各個(gè)方向發(fā)出次生波，形成地震波的散射，進(jìn)而對(duì)附近地面建筑地震反應(yīng)產(chǎn)生影響[1-7]．

本文采用有限元方法對(duì)隧道附近地面高層建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行研究，分析隧道與地上建筑的水平距離，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響．

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

計(jì)算模型土層參數(shù)相同，土體和結(jié)構(gòu)均采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬分析，左右邊界為粘-彈性人工邊界，下部為基巖 ．分析場(chǎng)地長(zhǎng)度為 150m ，深度為 30m ，為均勻場(chǎng)地，彈性模量為 40 ×108Pa ，泊松比為 0.3密度為 2049 kg/m3．地面建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下 2 層，地上為 10 層，跨度為 10m ，層高為 3m ．取一榀雙跨框架計(jì)算，鋼筋混凝土密度為 2 500 kg/m3，泊松比為 0.2，彈性模量為 4.83 × 1010Pa．隧道直徑為 10m，位于地下 15m處．考慮 5 種工況進(jìn)行分析，工況 1 為附近無(wú)隧道的建筑結(jié)構(gòu)，工況 2、3、4、5 分別為隧道中心與地面建筑中心線的水平距離：0m、10m、20m 、30m．有限元網(wǎng)格劃分如圖1 所示，網(wǎng)格尺寸按照剪切波速確定，兩側(cè)為粘彈性人工邊界，采用彈簧阻尼單元模擬，土體下部為固定．

輸入的地震波為El Centro波南北向，從基巖水平輸入．為便于比較，將ElCentro 波加速度峰值調(diào)整到 0.1g，如圖2所示．

圖1 隧道與建筑結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finiteelementmodelof tunneland structure system

圖2 EI-Centro 波峰值調(diào)整至 0.1 gFig.2 EI-Centrowavew ith 0.1 g peak value

2 隧道對(duì)建筑結(jié)構(gòu)頻率的影響

5種工況下框架結(jié)構(gòu)各階振型頻率計(jì)算結(jié)果如表1及圖3所示．

表1 各階振型頻率Tab.1 Each ordermodal frequency

圖3 框架結(jié)構(gòu)各階頻率Fig.3 Frequency of structure

可見(jiàn)，隧道位置位于結(jié)構(gòu)體系正下方，即工況 2時(shí)結(jié)構(gòu)頻率下降較多，而其他情況下與工況 1（無(wú)隧道）比較接近．工況 2 與無(wú)隧洞情況相比，自振頻率最多下降達(dá) 70% ．

3 隧道對(duì)建筑結(jié)構(gòu)位移的影響

5 種工況下結(jié)構(gòu)各層位移峰值計(jì)算結(jié)果如圖4，位移時(shí)程反應(yīng)如圖5．

圖4為各工況下結(jié)構(gòu)各層左跨梁右端位移峰值曲線，圖5為各工況下結(jié)構(gòu)頂層左跨梁右端位移時(shí)程曲線，本時(shí)程圖中截取了 1 ～ 10 s的時(shí)間段．

圖4 各工況下結(jié)構(gòu)位移峰值Fig.4 Displacementof thestructure

圖5 各工況下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線Fig.5 The top floor displacement timehistory curve

由圖4和圖5可見(jiàn)，隧道對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響，大致分為3組相似的曲線：工況2（即位于結(jié)構(gòu)中心正下方）為第 1 組，比工況 1 大 90%；工況 3 與工況 5 為第 2 組，其平均值比工況 1 大 50%；工況 4 為第 3 組，比工況 1大 5%．可見(jiàn)，隧道與地面建筑結(jié)構(gòu)的水平距離，對(duì)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)有很大影響，隧道位于結(jié)構(gòu)正下方時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)影響最大，其他位置結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)相對(duì)較小，但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)位移大小并非簡(jiǎn)單地隨距離的增大而減小，而是表現(xiàn)出一定的跳躍性．另外隧道位置對(duì)結(jié)構(gòu)地下部分位移反應(yīng)的影響很小．從圖5的位移時(shí)程反應(yīng)可見(jiàn)，隧道位于結(jié)構(gòu)正下方時(shí)，其頂層位移反應(yīng)峰值主要于地震后期出現(xiàn)．

4 隧道對(duì)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

5種工況下結(jié)構(gòu)體系各層左跨梁右端彎矩峰值計(jì)算結(jié)果如圖6，頂層左跨梁右端彎矩時(shí)程反應(yīng)如圖7所示．

圖6為各工況下結(jié)構(gòu)各層左跨梁右端彎矩峰值曲線，圖7為各工況下結(jié)構(gòu)頂層左跨梁右端彎矩時(shí)程曲線．

圖7 各工況下結(jié)構(gòu)頂層梁彎矩時(shí)程曲線Fig.7 The top floor bendingmoment timehistory curve

由圖6 和圖7可見(jiàn)，隧道對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩影響，大致也分為 3 組相似曲線：工況 2（即位于結(jié)構(gòu)中心正下方）為第 1 組，其與工況 1（無(wú)隧道情況）數(shù)值相差最大，二者數(shù)值相差平均為 93% ；工況 3 與工況 5 為第 2組，其與工況 1 數(shù)值相差較大，二者數(shù)值相差平均為 41%；工況 4 為第 3 組，與工況 1 相差平均為 1%．可見(jiàn)，與結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)相似，隧道水平位置對(duì)結(jié)構(gòu)中間彎矩有很大影響，隧道位于結(jié)構(gòu)正下方時(shí)彎矩最小，其他位置結(jié)構(gòu)彎矩?cái)?shù)值相對(duì)較大，但應(yīng)注意隧道距建筑為其直徑時(shí)與無(wú)隧道情況很接近，彎矩?cái)?shù)值變化表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性．另外隧道位置對(duì)結(jié)構(gòu)地下部分彎矩的影響較小．

5 不同地震波對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響

為考慮不同地震波輸入對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系的影響，這里選擇天津波從基巖水平輸入，同樣將天津波加速度峰值調(diào)整到 0.1g ．5 種工況下結(jié)構(gòu)各層位移峰值計(jì)算結(jié)果如圖8．

由圖8可見(jiàn)，輸入天津波時(shí)，隧道對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響：工況 3（即位于結(jié)構(gòu)角部）比工況 1 大 61% ；其他工況與工況1相差不大．可見(jiàn)，盡管輸入不同地震波，總體而言隧道位于結(jié)構(gòu)下方時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)影響最大，其他位置結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)相對(duì)較小．另外此時(shí)隧道位置同樣對(duì)結(jié)構(gòu)地下部分位移反應(yīng)的影響很小．

圖8 輸入天津波時(shí)各工況下結(jié)構(gòu)位移峰值Fig.8 Displacementof the structurewhen tianjinwave

6 結(jié)論

1）隧道位于建筑物下方時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響最大．此時(shí)，隧道與建筑結(jié)構(gòu)相互作用最強(qiáng)烈，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期明顯增大，使得結(jié)構(gòu)的位移加大而內(nèi)力變小．

2）隧道位于其他位置時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響相對(duì)較小，但對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響并非簡(jiǎn)單地隨距離的增大而減小，而是表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性．

3）隧道位置對(duì)結(jié)構(gòu)地下部分地震反應(yīng)的影響很小．

[1] 李方杰，趙鳳新，張郁山，等．相對(duì)位置的地上結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響 [J]．中國(guó)地震，2010，26（2）：201-209．

[2] 王振宇，劉晶波．成層地基非線性波動(dòng)問(wèn)題人工邊界與波動(dòng)輸入研究 [J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（7）：1169-1173．

[3] 陳國(guó)興，莊海洋，徐燁．軟弱地基淺埋隧洞對(duì)場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)的影響 [J]．巖土工程學(xué) 報(bào)，2004，26（6）：739-744．

[4] 朱逢斌，楊平．城市隧道及鄰近地下結(jié)構(gòu)施工相互作用及其影響的研究 [J]．鐵道建筑，2007（2）：48-51．

[5] 何偉，陳健云，于品清．地下結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)對(duì)場(chǎng)地地表反應(yīng)譜影響研究 [J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（6）：1099-1114．

[6] 梁建文，紀(jì)曉東，VincentW Lee．地下圓形襯砌隧道對(duì)沿線地震動(dòng)的影響 （2）：數(shù)值結(jié)果 [J]．巖土力學(xué)，2005，26（5）：687-692．

[7]TodorovskaMaria I，TrifunacM ihailo D，Lee VincentW.Synthetic earthquakegroundmotions for the design of long structures[C]//International Efforts in Lifeline Earthquake Engineering．ASCE，2013：592-599．

[責(zé)任編輯 楊 屹]

Effectof tunnelon seism ic response of adjacent surface building structure

LIYan-tao1，ZHOU Zhan-xue2
(1.Schoolof CivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China；2.Schoolof Civil Engineering,Hebei University of Architecture,HebeiZhangjiakou 075000,China)

To investigate theeffectofunderlying tunnelon seism ic responseofadjacentsurfacebuilding structures,analysis via finite elementmethod for certain high-rise frame structure on the uniform stratum has been carried out.The numerical resultsshowed that themaximum influenceon seism ic responseof structuresoccurwhen tunnel is just located below it,thatis to say,fundamentalperiod and displacementof structure increase significantly,butbendingmomentsdecrease.For tunnel located faraway surface structures,the affecting extenton seism ic response doesn'talways decrease w ith increaseof the distancebetween tunneland structures,buttends to bea certain degreeof volatility.The tunnel w ill have little impacton seismic response of the underground partofbuilding structures.

tunnel;high-rise buildings;seism ic performance;finiteelementanalysis

1007-2373(2014)05-0097-04

TU973.2

A

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.019

2014-07-20

河北省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（ZH2011219）；河北省住建廳項(xiàng)目（2006-136）

李延濤（1963-），男（漢族），教授．