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盾构隧道横向上的地震特性和抗震设计方法的研究理工论文 摘要:摘要：为了研究盾构隧道横向上的地震特性和抗震设计方法， 进行了一系列振动台模型试验，并对试验应用了二维有限元动力分析。 提出两种基于土体-隧道复合有限元模型和梁-弹簧有限元模型的静 力分析方法，这种方法通过振动台模型试验得到验证。这项研究涉及 隧道 关键词:盾构,隧道,向上,地震,特性,抗震,设计,方法,研究,理工, 摘要：为了研究盾构隧道横向上的地震特性和抗震设计方法，进 行了一系列振动台模型试验，并对试验应用了二维有限元动力分析。 提出两种基于土体-隧道复合有限元模型和梁-弹簧有限元模型的静 力分析方法，这种方法通过振动台模型试验得到验证。这项研究涉及 隧道和土体动力反应性质，隧道和土体的相互作用及对不同的抗震设 计方法的评价。研究结果表明：隧道位移及横向动力特性由周边土体 决定；作者提出的静力分析方法可以直接用做隧道横向上的抗震设计 中。 关键词：地震特性；抗震结构设计；盾构隧道，振动台试验；地 震变形方法 1.介绍 在日本、中国和许多其它国家的城市地区，生命线建筑中广泛采 用盾构隧道。然而，一些地区处于地震高发区，过去曾经发生多次地 震活动。从1985年墨西哥地震和1995年八户南部地震，盾构隧道的 地震破坏就有报道。如今，抗震设计已经成为盾构隧道建设中一项重 要的主题。在盾构隧道抗震设计中这种设计分析的重点放在隧道 的纵向和周边土体上（JSCE1996），人们都常认为，这种设计观 点适用于中小型外直径的盾构隧道。近年来，具有复杂的横截面和大 尺寸横截面的盾构隧道数量增长很快，要求在横截面部位进行抗震设 计的情况越来越多。然而，盾构隧道和周边土体之间的动力相互作用 相当复杂，适用的盾构隧道横向上抗震设计方法还未形成。在过去十 年间，许多工程师和研究人员一直致力于适用的盾构隧道横向抗震设 计方法的发展研究。通常，当研究盾构隧道横向上动力特性时，可以 采用土体-隧道复合模型的二维或三维动力分析。但是，在动力分析 时，输入和输出的数据庞大，并且分析结果也很复杂，很难理解，还 没有得到广泛应用的适用的抗震设计方法。地震变形方法是一种静力 分析方法。在此方法中，自由土体反应位移被看作是施加在隧道结构 上的地震荷载。PWRI （1997）和JSCE （1996）建议，把此方法当作 一种盾构隧道纵向抗震设计的适用方法。据建议，基于地震变形方法 的这种概念，其理论解可大致评估价在土体运动下，盾构隧道纵向上 的最大截面应力（SHIBA1991、PWRI1992）。然而，这种盾构隧道横 向上动力特性还未弄清；而且，这种建议的理论解也不能直接用在处 于非规则土体中的盾构隧道上。为了充分研究这种地震行为 （其中包 括盾构隧道和周边土体相互作用，改进的合理适用的盾构隧道横向上 的抗震设计方法）进行了一系列振动台试验。另外，在本项研究中， 对这些试验应用了静力、动力分析，对不同的抗震方法进行了评价。 2.振动台模型试验 2.1隧道土体测试原型和模型 测试原型是外直径为10米的双线地下盾构隧道。盾构隧道为预 应力砼扁平箱型截面，1米宽，0.4米厚。假设盾构隧道位于一个冲 击层上（标准贯入试验中贯入度小于3）。假设冲击层和盾构隧道埋 深分别为30米和 14米，土体基础处在一个非常坚硬的洪积层上 （标 准贯入试验中贯入度大于50），在抗震设计中，可以把它看作为刚 性体。 在振动台模型试验中，依据相似原理选择土体和隧道材料。引用 物理量的比例系数时，是依照如下假设：土体惯性力和弹性力是相互 独立的物理量。 冲击层和盾构隧道分别用硅胶和聚乙烯模拟。为了方便制造隧道 模型，忽略了截面横向和圆周向的连接点。而且，隧道模型分成7个 相互独立的圆环，之间间隔用软的合成橡胶环填充。这样，纵向的地 面边界对模型中央截面的影响可尽量减少。土体模型宽900毫米，侧 面上看作是自由边界。根据前面基本的动力分析，在土体模型宽度大 于900毫米情况下，土体模型中央处的振动特性与侧面半无限体边界 时相比，变化很小，甚至是土体模型边界看作是自由边界时也是如此。 2.2试验概要 所有的度量传感器均安置在试验模型的中央截面。记录绝对加速 度时程的加速度计分别放在振动台上；并且，分别量测每个截面上的 弯曲应变和轴向应变。记录水平位移时程的激光位移计放在土体一侧。 分别进行了单一土体模型和土体-隧道复合模型振动台模型试验。 试验模型底部固定在振动台上，在振动台上输入单向水平激振