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      城市輕軌地下隧道管理

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      城市輕軌地下隧道管理

      摘要本文主要針對當前方興未艾的城市輕軌交通中的地下隧道,在結構抗震分析方面進行了探討,并提出了合理的計算方法,供讀者參考。

      關鍵詞城市輕軌隧道抗震分析

      大城市的交通設施,無論國內外都是人們關注的問題,完全依賴地面交通難以獲得令人滿意的效果,利用地下空間開拓城市輕軌交通,已是國際上大城市解決交通問題的共識。自20世紀60年代中期開始,北京著手籌建地下鐵道,并于60年代末建成了國內第一條地下軌道交通線。爾后,國內各大城市也都在籌劃開展地下輕軌交通的興建。

      我國屬多地震國家,受地震影響的城市,覆蓋范圍極廣,逾70%的省會城市,抗震設防烈度均在7度(含)以上。顯然,在這些城市興建地下輕軌交通時,都會涉及到結構抗震問題,但目前我國相應的設計規范中,尚無明確規定合理的抗震設計方法。為此,本文針對地下輕軌交通中的隧道結構,探討其合理的抗震分析方法,提供給相關的設計人員參考。

      一、地下輕軌隧道結構的地震動反應

      地下輕軌交通的結構型式,可以是圓形、矩形或上頂拱形結構等,通常與采用的施工工法相關,就其在地震作用下的受力狀態而言,不論其結構型式,均視作地下隧道線狀結構考慮。由于城市輕軌交通的地下隧道,一般埋深較大,隧道這種線狀結構受到的阻尼作用很大,其結構的自振頻率很高,因此地震動引起的慣性力當可忽略不計。歷來對地下隧道的工程抗震驗算,都將其視作土體的一部分,驗算這種線狀結構在地震行波的作用下,隧道結構所引發的應力(應變)是否超過其承受的能力(與常規荷載效應組合后)[1,2]。通過對歷次強烈地震中地下結構的實際震害反映和現場模擬試驗[3],確認將地下結構視作完全順應地震行波作用下土體的變位,無疑是比較保守的。因為從整體來看,地下線狀結構與大地波動相比,其結構剛度是微不足道的;但土體畢竟不是剛體,就微觀分析,結構剛度還是有影響的,土體的波動變位還不可能完全傳遞給地下結構。據此,目前國際上較為通用的抗震驗算模式,乃是將地下線狀結構視作埋設于土體中的彈性地基梁,作為工程上實用的解析模型[2,4]。

      二、地下隧道結構抗震驗算模型的建立與應用

      將地下結構視作埋設于土體中的彈性地基長梁,早在20世紀50年代后期提出并在工程上應用。從實用出發,考慮地震動時耗能最大的剪切波的行進作用,同時簡化為正弦函數表達。根據這一前提,當地下隧道遭到任意入射角(<)的剪切波作用時,其影響結構的土體變位可由圖1表示。

      圖1在剪切波作用下,土體變位矢量圖

      圖1中uG—剪切波行進時,土體位移的最大幅值,即場地地面位移的最大幅值;uS—剪切波行進時,X軸線上土體的位移量;

      uS—剪切波行進時,X′軸線(即沿隧道走向)上的土體位移量;L—剪切波的波長;L′—沿隧道走向X′軸線上,剪切波的視波長,即L′=L/cos<;<—剪切波的入射角,即剪切波行進方向與隧道走向軸線的夾角。隧道結構作為彈性地基梁的計算模型,如圖2所示。

      圖2彈性地基梁計算模型我國國家標準《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》GB50032—2003中,對地下管道的抗震驗算考慮盡量與國際接軌,就引用了這一計算模型,但僅計入了沿管線走向的縱向變位。此時,按圖2單元結構上的平衡方程可得下式:

      dFE+KL(uS-uP)dx′=0(1)式中FE—單元結構上的受力,即duPFE=EAdx′E—結構材料的彈性模量;A—結構的橫截面面積;KL—單元結構上沿管線走向的彈性阻抗系數,即KL=klUo;kl—沿結構走向的單位面積彈性阻抗系數;Uo—單元結構的外緣表面積;

      ′uS—在剪切波作用下,沿結構走向的土體位移;uP—在剪切波作用下,結構沿走向(即縱向)的位移。′的正弦表達式,以圖1設定的座標,并代入uS式(1)的通解可得:當x′=0和x′=L′2時,應為uP=u′S=0,則可得C1=C2=0。由此可得在剪切波作用下的縱向位移為:1′′uP=(2π)2uS=ζLuS(3)EA1+KLL式中ζL—縱向變位傳遞系數,即1=ζLEA1+(2π)2(4)KLL相應的結構縱向應變量應為:2πεp=ζLuGsin除了以式(7)提供工程抗震驗算外,文獻[2]還提出了要考慮自基巖豎向傳遞至地面的剪切波作用,使隧道結構豎向產生畸變,相當于隧道的頂、底間產生相對偏移。這種情況與建設場地的工程地質條件相關,如果基巖埋深很大,結構產生的畸變量甚小,可以忽略其影響;如果基巖埋深很淺,隧道高度較大時,則畸變影響應予考慮。

      三、各項計算參數的確定

      對地下隧道結構按式(7)進行抗震驗算時,各項計算參數的合理擬定至關重要。下面將逐一進行探討。11地面位移幅值uG從工程實用考慮,uG值可按下式計算:KHgT2guG=4π2(9)式中KH—相應設防地震烈度的水平向地震系數;g—重力加速度;Tg—場地的特征周期。式(9)系按相應設防烈度的地震加速度換算獲得,比之實際地震記錄小得多,在GB50032中,對承插接口管道的接口允許位移量取較為保守的數值與之相對應,這樣處理旨在方便應用。對地下輕軌隧道結構,其結構構造不同,尚需慎重對待。對此,文獻[5]以強震記錄分析為基礎,提出了uG的建議值,可供參考采用。21剪切波長的確定剪切波的波長可按下式計算:L=VsTg(10)式中Vs—剪切波的行進速度,應由勘察報告提供,但應考慮到實測條件與強震時不同,應按勘察報告提供實測數值的2/3采用。

      彈性阻抗系數亦可稱為“地基反力系數”。此項系數的確定比較復雜,不僅與結構外緣的做法(防水、防腐等構造)、場地土質相關,還和隧道結構的施工工法(明開、盾構、新奧法等)密切相關。針對開槽建造的情況,結構外緣接觸的土體均為回填夯實土,通常可取k值為0106~0107N/mm3。如果采用不開槽施工,一般會對結構外緣進行灌漿,此時kl、kt的數值將取決于結構外緣土體的抗剪強度,亦即地震動時土體的位移將通過土的抗剪強度傳遞給隧道結構。對此在確定土的抗剪強度時,亦應考慮室內試驗條件與強震時不同,對室內試驗的數據應乘以小于110的折減系數(例如亦可按2/3取值)。

      關于KL、KT值的確定,日本《化工設備抗震準則》提供了更為簡化的方法,認為:KL=KT=3Gs(11)式中Gs—土的剪切模量。式(11)限定了K值的確定僅與場地土質有關,而與結構的體量大小、構造型式、施工方法等均無關,無疑過于粗糙。同時應該提及,在文獻[5]中,對K值的確定也提供了具體建議,可供設計參考。顯然,KL、KT值的合理確定,對地下隧道結構的抗震驗算至關重要,但設計中應結合安全儲備的考慮(例如安全系數或作用分項系數的取值),綜合推敲確定。

      四、地下隧道結構的抗震構造措施

      地下隧道結構在地震行波作用下的應變量,由于結構剛度較大,相應的變位傳遞系數可能較小,但仍可能使結構難以承受。在這種情況下,可以設置變形縫構造來順應地震動位移。此時可將半個視波內隧道結構的總位移量,由變形縫構造予以吸收。

      半個視波長范圍內隧道結構的總位移量,可通過對應變量積分獲得:

      πΔ(L′2)=2(ζ2+ζTB)(12)

      通常變形縫構造由帶變形圈的止水橡膠帶、高密度聚乙稀填縫板及內表面聚硫密封膏嵌縫、外表面膨脹型橡膠條堵縫組合而成。每個變形縫的變形量可在30mm以上,但按30mm設計為宜。橡膠帶的老化問題,對埋設在地下的條件,經唐山地震后開挖取樣,檢測各項指標,逾70年尚保持良好。同時還應在變形縫處的底板下設置墊梁,梁上設滑動層,以免造成該處突變,導致影響行車安全。當需要在半個視波長隧道結構上設置多個變形縫時,應考慮每個變形縫的允許位移量不可能都充分利用,應乘以等效系數0164予以折減。

      五、結語

      本文主要針對當前地下輕軌隧道結構抗震驗算的現況,提出了抗震驗算的合理計算模型。這種計算模式,20世紀60年代末早在美國加州興建地下隧道時應用,有別于地面結構的抗震計算方法,兩者的地震動反應是完全不同的,不能混同應用。文內并對隨后的研究成果及信息,綜合匯入探討,尤其對各項計算參數的合理確定,在實際應用時尚需多加推敲,連同抗震構造措施,一并提供讀者參考,以期對地下隧道結構的抗震設計有所裨益。

      參考文獻

      [1]《蘇聯結構地震荷載計算規程》,1961

      [2]T.R.Kussel1BART地下道抗震設計標準1ProceedingsoftheAmericanSocityofCivil

      Engineerings,JournaloftheStructuralDivi2sionVolume95N576,June1969

      [3]中國建筑科學研究院,清華大學1地下管線爆炸振動試驗與分析11975

      [4]ticeforEarthquakeResistantDesignofHighPressureGasPipelines.K.Toki,Y.Fukumori,M.Sako,T.Tsabakimo.RecommendedPrac21984

      [5]符圣聰1用于埋管抗震計算的地面位移和地基反力系數1《特種結構》1992

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