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下穿地道结构抗震设计研究

 论文栏目:地震分析论文     更新时间:2019/4/22 14:53:27   

【摘要】详细介绍了用于明挖下穿地道抗震设计分析的反应位移法,并以实际工程为例,采用该方法对其抗震设计展开了研究和探讨,得到了可靠的抗震验算结果。

【关键词】下穿地道;反应位移法;抗震分析

1公路隧道设计细则计算方法

按照JTGB02—2013《公路工程抗震规范》和JTG/TD70—2010《公路隧道设计细则》要求,隧道的地震荷载效应可按静力法分析计算,验算地震荷载工况下的结构强度和稳定性时,地震荷载效应作用应与结构自重和土的自重组合[1,2]。隧道的地震作用主要由结构自重产生的地震力、洞顶回填土水平地震土压力荷载、洞顶回填土竖向地震土压力荷载和侧边回填土水平荷载组成。公路隧道多采用多心圆衬砌结构,隧道拱顶回填土会对侧墙衬砌产生较大的向结构外变形的效应,为保证隧道衬砌结构的稳定和限制变形,明洞边墙背后回填多采用浆砌片石、素混凝土等刚性材料进行基坑回填,使其衬砌设计时充分考虑地层弹性抗力约束效应。明挖下穿地道框架段多采用钢筋混凝土矩形框架断面,顶板回填土会对侧墙产生向结构外变形的效应较弱,同时明挖下穿地道结构都设计有外防水体系及其保护层(聚乙烯泡沫板、砖砌墙等),或采用支护桩结构对基坑开挖作临时支护,以致水平向水、土压力不能完全有效地作用于侧墙,甚至水平向水、土压力无法作用于侧墙的情况也常出现。受建设条件限制,地道基坑回填往往是采用透水性较好的材料回填,土体对侧墙约束相对较弱,且有土体竖向剪切变形荷载。采用JTG/TD70—2010《公路隧道设计细则》中的方法对明挖下穿地道结构作抗震设计分析,仅考虑了结构自重产生的地震力、洞顶回填土水平地震土压力荷载、洞顶回填土竖向地震土压力荷载和侧边回填土水平荷载,忽略了土体变形对结构侧墙竖向剪力荷载和土体对结构底板水平剪力荷载,会造成结果不真实,与实际情况偏离较大。

2反应位移法

反应位移法是以一维土层地震反应效应计算分析为基础条件,地下结构在地震中的受力状况和效应主要取决于周边土层的力学性能以及土层形变对结构产生的附加荷载。地震发生时,土层发生形变所产生的附加荷载直接作用在与土层直接接触的结构四壁上,传递方式可理解为地基弹簧形变所产生的荷载,以此计算结构受力状况和效应。地基弹簧作用是结构与土层间虚拟连接单元,其反映了土层刚度与结构刚度的不同。采用该方法进行地下结构抗震验算分析时,需考虑结构惯性力、土层相对结构产生的位移和结构周围土体剪力3种地震荷载效应的相互作用。采用该方法进行地下结构地震荷载效应计算时,结构与周边土层的连接可视为弹性连接,该弹性连接方式仅为受压弹性连接,以此作为结构有限元建模分析的边界条件,同时考虑结构惯性力、土层相对结构产生的位移和结构周围土体剪力3种地震荷载效应的相互作用。地基弹簧纵横向刚度可采用地基基床系数计算,并考虑地基弹簧纵横向间距的影响。地震荷载及土层弹簧刚度的计算取值如下:1)底板、顶板及侧墙处周边土体剪力地下结构顶板及底板外表面的土体剪力采用反应谱法计算土层位移,是通过土层位移值确定土层应变值,并按照力学计算理论确定土层剪力。(1)结构顶板及底板外表面的土体剪力,地震时结构周边土层会发生相对位移,由此对土层和结构接触面产生滑动摩擦力,即土体剪力,可用式(1)进行计算,求解结构沿深度变化的地震土体剪力。2)结构惯性力结构惯性力按照结构自重乘以设计地震动峰值加速度计算,按照各部位节点的设计地震动峰值加速度计算结构的水平惯性力,并作用于对应的各结构部位节点上。见式(3):

3工程案例计算分析

以成都市某下穿地道结构为例,对地道框架段进行抗震设计分析。3.1荷载分类(1)永久荷载:隧道结构自重;隧道内铺装自重;隧道顶覆土压力;隧道侧土压力;隧道四周水压力。2)可变荷载:城-A级车辆荷载;动水压力。3)地震作用:土体相对位移;地震惯性力;土体剪力。3.2验算内容对下穿地道结构断面,进行E2作用下截面承载能力验算。3.3结构抗震计算结果3.3.1结构计算模型框架最大覆土深度1.7m,结构计算模型及边界条件模拟见图2。图2结构计算模型及边界条件模拟3.3.2截面承载能力验算表1所示为地震荷载组合下各构件控制内力、配筋和验算结果。3.3.3构件变形验算按照GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)中5.5.1进行变形验算,最大弹性层间位移驻ue=4.2mm约[兹e]h=6850550=12.4mm,满足要求([兹e]为弹性层间位移角限值,取1/550;h为计算层高,mm)。抗震验算结果各项指标均满足设计和规范要求,且计算结果较好。

4结语

综上所述,该下穿地道已建成通车运营,运营以来,经历过地震考验,下穿地道现运营良好。对于明挖下穿地道采用反应位移法计算,方法简便,计算结论可靠符合实际,采用该方法进行地下结构抗震验算是合理的。

作者:樊长刚 谢泽龙 单位:中国市政工程西南设计研究总院有限公司

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