隧道結(jié)構(gòu)抗震時程分析

周 浩，倪文龍

[悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215000]

0 引 言

隨著城市地上空間日益緊張，地下結(jié)構(gòu)的建設在城市化進程中的作用日益突出。傳統(tǒng)觀念認為，地下結(jié)構(gòu)受土體約束、剛度較大且結(jié)構(gòu)高度一般較小，在地震作用下結(jié)構(gòu)不會嚴重破壞。然而，1995 年日本阪神大地震、1999 年土耳其Duzce7.8 級地震、2008 年汶川8.0 級地震、2012 年臺灣集集7.3 級地震等[1]，這些地區(qū)地下結(jié)構(gòu)在地震中的大量破壞帶來的安全問題和經(jīng)濟損失使人們重新認識到地下結(jié)構(gòu)抗震設計的重要性。

目前，地下結(jié)構(gòu)常用的抗震方法主要有地震系數(shù)法、反應位移法、時程分析法等[2-3]。其中，時程分析法考慮了地震波的動強度、持續(xù)時間和頻譜特征，同時納入地震環(huán)境和場地特征的影響，被普遍認為是計算結(jié)構(gòu)動力響應最精確的方法。本文結(jié)合蘇州春申湖隧道敞開段，通過建立三維數(shù)值模型進行結(jié)構(gòu)強度和變形驗算，得出敞開段地震工況控制部位和變形特征，為類似工程提供參考。

1 工程概況

蘇州春申湖路快速化改造工程是規(guī)劃蘇州中環(huán)快速路北段的重要組成部分，元和塘以東段采用隧道沿春申湖路敷設，西起齊門北大街以東、澄帆路與春申湖路交叉口，東至蠡塘河西側(cè)、澄星街與春申湖路交叉口。

隧道暗埋段結(jié)構(gòu)采用兩孔+ 管廊箱涵斷面形式，敞開段采用U 型槽結(jié)構(gòu)，在敞開段和部分標準暗埋段部位，底板設置抗拔樁。

工程場地100 m 以淺各土層由第四紀中更新世以來的沖湖積～ 濱海相碎屑沉積土層組成，場地20 m以淺土層的平均剪切波速Vse為164.0～183.2 m/s，工程場地類別為Ⅲ類，特征周期值為0.45 s。

2 計算模型

2.1 幾何模型

本文采用Midas GTS 有限元分析軟件建立敞開段三維有限元模型，模型尺寸取55 m（長）×92 m（寬）×80 m（高），各層土體參數(shù)采用地質(zhì)勘察資料中的土體參數(shù)，如圖1、圖2 所示。

圖1 地層- 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖2 主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

隧道敞開段主線頂?shù)装搴?.5 m，側(cè)墻厚1.4 m，中間管廊壁厚0.5 m，寬31.8 m；匝道底板厚1.1 m，側(cè)墻厚1.1～0.6 m，寬10.8 m，設置樁徑0.8 m、長15 m抗拔樁。隧道頂?shù)装宀捎冒鍐卧M，土體采用六面體單元模擬，抗拔樁采用梁單元模擬，地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、表2。

表1 土層物理力學參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

2.2 邊界條件

本模型動力分析階段對邊界條件做以下規(guī)定：

（1）底部邊界：由于在目前的工程抗震設計中，地震動輸入大多為水平振動的剪切波，豎直方向約束，水平方向施加地震波。

（2）側(cè)向邊界：側(cè)向土體均采用黏彈性邊界以吸收地震波能量。

（3）頂部邊界：水平和豎直方向均為自由。

（4）土體與結(jié)構(gòu)接觸面未考慮界面接觸特性，二者節(jié)點耦合。

2.3 地震波的選取

由于地震具有較強的隨機性和獨特性，地震波的動強度、持續(xù)時間和頻譜特征對地下結(jié)構(gòu)的響應影響很大。

本文采用動力時程分析的目標峰值取0.125g，持續(xù)時間根據(jù)工程實踐中的選擇原則[4]取30 s，地震波選用El-Centro 波、San Fernando 波和蘇州地區(qū)人工波，以盡可能貼合當時實際情況。計算采用的地震動加速時程曲線如圖3 所示。

圖3 地震波波形

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

本工程抗震設防類別為重點設防類，在E2 地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)應保持正常使用功能、結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，需進行結(jié)構(gòu)強度驗算。靜力工況和不同地震波作用下隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡值見表3。從中可以看出，E2 地震作用下，結(jié)構(gòu)最大彎矩出現(xiàn)在主線頂板，為4 222 kN·m，地震工況下主線頂板最大彎矩降低31.4%，結(jié)構(gòu)部位抗震工況對設計不起控制作用，截面抗彎配筋由靜力工況下的裂縫控制。

表3 隧道內(nèi)力計算結(jié)果匯總單位：kN/m

相關(guān)研究[5]表明，地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻在高軸壓比條件下具有較強的脆性特點。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（2016 年版）[6]要求，對本工程按照二級采取抗震措施，側(cè)墻軸壓比不大于0.6。各種工況下側(cè)墻軸力及軸壓比見表4。從中可以看出，E2 地震作用下主線側(cè)墻最大軸力大于靜力工況下側(cè)墻軸力，最大軸力增加約36.7%；隧道中隔墻最大軸力小于靜力工況下中隔墻軸力，最大軸力減少約51.9%。這表明地震工況下主線結(jié)構(gòu)側(cè)墻易處于高軸壓比工作狀態(tài)，此時結(jié)構(gòu)側(cè)墻為抗震關(guān)鍵構(gòu)件，本次設計主線側(cè)墻壁厚取1.4 m，最大軸壓比為0.147，使側(cè)墻在地震作用下處于低軸壓比工作狀態(tài)，不發(fā)生脆性破壞。此外，由于主線側(cè)墻剛度大于主線中隔墻，地震荷載作用下側(cè)墻承擔較大軸力，中隔墻軸力相對靜力工況有所降低。

表4 側(cè)墻軸力及軸壓比

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

罕遇地震（E3 地震）作用時，為保證地下結(jié)構(gòu)在震后可修復，進行承受彈塑性變形能力極限狀態(tài)的驗算。E3 地震作用下節(jié)點頂板和底板的層間位移時程如圖4 所示。

從結(jié)構(gòu)層間位移值和變形圖來看，在水平橫向地震動的作用下，上下層的層間位移相差并不大，最大層間位移分別為6.125 mm、8.28 mm、6.325 mm，最大層間位移角為1/1340，小于1/250，各層間位移角均小于《建筑抗震設計規(guī)范》（2016 年版）規(guī)定的彈性層間位移角1/250 的限值。

4 結(jié) 語

本文通過建立三維時程分析模型，對蘇州市春申湖隧道敞開段進行計算，得到如下結(jié)論：

（1）E2 地震作用下，結(jié)構(gòu)最大彎矩出現(xiàn)在主線頂板，地震工況下主線頂板最大彎矩比靜力工況降低31.4%，截面抗彎配筋由靜力工況下的裂縫控制。

（2）E2 地震作用下，主線結(jié)構(gòu)側(cè)墻易處于高軸壓比工作狀態(tài)，此時結(jié)構(gòu)側(cè)墻為抗震關(guān)鍵構(gòu)件，本次設計主線側(cè)墻壁厚取1.4 m，最大軸壓比為0.147，側(cè)墻在地震作用不發(fā)生脆性破壞。

（2）E3 地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/250，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段，滿足抗震性能的要求。