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隧道抗震设计研讨论文 北京地铁１０号线车站的工程背景，引用相关文献提出的刚度折减理论，探索对结构损伤缺陷的简化描述；同时基于数值模拟仿真，研究其在不同运营阶段的地震动力响应规律。目的是为了揭示地铁隧道在疲劳损伤积累作用下的抗震动力学机理，并为进一步合理地改进和优化地铁隧道等地下结构的设计和施工、地下结构抗震设计规范的制定提供一定的参考依据。 初始损伤缺陷的描述与长期累积效应表达 根据相关的试验及文献研究，在长期的荷载及环境腐蚀等作用下，结构的劣化过程是由于诸如微裂缝、微孔洞等这样的初始损伤缺陷随运营时间的增加在不断发展，最后导致结构失效。事实上，对于既有地铁隧道而言，引起结构初始损伤缺陷的因素是多方面的，初始损伤缺陷的定义也是多方面的。例如，可以定义为施工质量方面导致的初始缺陷、工后运营过程中由于沉降导致的初始缺陷以及受邻近或穿越施工影响带来的初始缺陷等等。为了保证隧道结构在运营期间的安全，地铁隧道结构在长期运营动载作用下随时间的动力响应及初始缺陷的演变机理在不断得到人们的关注，尤其是初始缺陷长期累积作用下结构的抗震动力学行为。这里不妨采用前人文献试验研究，采用刚度折减理论来体现隧道结构衬砌初始缺陷及其在列车不同运营阶段的抗震动力特性。 力学模型与计算参数 １工程背景 本文以１０号线双井车站由于列车振动所引起的隧道衬砌结构的动力响应为研究背景。１０号线双井站为地下三层两跨（局部三跨）岛式站台车站，全长１８１．０ｍ。车站地下一层为设备层，地下二层为站厅层，地下三层为站台层。车站南、北两段为地下三层明挖结构，中间段为地下一层暗挖结构。在图１中可以看出，北侧三层结构与中间暗挖段及中间暗挖段与南侧三层结构之间均有宽２０ｍｍ的变形缝。由于变形缝的存在，因此，构想以变形缝为界，只考虑对双井站中间暗挖段结构衬砌进行动力响应分析。此举目的在于，变形缝起着减振的作用，三段结构彼此振动影响不大；建立模型时能使计算单元的数量大大减少，即提高了计算运行速度，又能得到较理想的计算精度。 ２基于ＦＬＡＣ３Ｄ地震响应的三维模型的建立 考虑到边界效应和地下结构开挖所影响的范围，整体模型截取范围为６１．３ｍ×５９．２４ｍ×４１．５５ｍ的土体。网格大小划分满足Ｋｕｈｌｅｍｅｙｅｒ和Ｌｙｓｍｅｒ通过模型的波传播精度的表达式，就是单元的空间尺寸ΔＬ，必须小于与输入波的最大频率相应的波长的１／８～１／１０。１０号线双井站模型示意图如图２所示。 ３模型边界条件及计算参数的确定 根据北京地铁１０号线双井站的地质资料，将土体视为均匀介质，并取土性参数的加权平均值作为计算参数。计算中采用不同的本构模型模拟不同的材料，对于各层土体采用莫尔－库仑（Ｍ－Ｃ）本构模型，隧道衬砌应用线弹性本构模型。衬砌混凝土力学参数如下：密度为２．５ｇ／ｃｍ３，剪切模量为１５．２８ＧＰａ，体积模量为１１．４６ＧＰａ。静力计算时，模型四周分别约束相应的水平向位移，底部为竖向固定、水平自由的边界，上表面为自由边界。在设置动力边界条件及阻尼前，应将静力计算模型中的初始位移及初始速度设置为０。动力计算时，在模型四周边界上施加自由场边界条件，底部边界取为静态边界，上表面为自由边界。模型采用瑞丽阻尼机制，使用时需要考虑两个参数，即自振频率和阻尼比。自振频率的确定是使模型不设置阻尼，在重力作用下求解一定的步数，使模型产生振荡，分析模型关键节点响应，使其完成至少一个周期振荡。本文求解的振荡周期为０．０９ｓ，由此计算出自振频率为１１．１１Ｈｚ。阻尼比的确定是根据经验方法，选取岩土体的阻尼比参数为０．００５。 ４地震波的选择 因工程建筑场地类别为Ⅱ类，且北京按８度设防，所以本文采用比较著名的埃尔森特（ＥＩＣＥＮ－ＴＲＯ）波，截取包括峰值加速度在内的５ｓ段进行分析，峰值加速度为１．９６ｍ／ｓ２，满足建设部颁发的《关于统一抗震设计规范地面运动加速度设计取值的通知》规定的８度设防取０．２ｍ／ｓ２加速度峰值的要求。由于输入的ＥＩ波为频率范围很广的离散载荷形式，因此在地震反应分析中对ＥＩ波中的高频波进行滤波处理，以提高计算精度。图３为滤波前后加速度时程曲线的对比图。本文采用地震过程中对结构破坏最大的横波（Ｘ方向传播）和纵波（Ｚ方向传播）共同作用于地下结构进行抗震性能研究。依据抗震设计规范中规定的水平向地震荷载设计谱乘以某一固定系数作为竖向设计抗震的说明，本文取竖向设计荷载为水平向的２／３。 地震动力响应分析 考虑在不同阶段下的３种工况对地铁车站结构进行抗震性能分析。在大量隧道震害调查中，发现隧道拱顶、拱肩及仰拱位置为薄弱部位，因此选取地铁结构衬砌的拱顶、拱肩和仰拱的Ｘ，Ｚ方向位移和应力进行全程监测，研究在地震荷载作用下各运营阶段的位移、大小主应力的时程曲线规律。 １位移时程分析 采用刚度折减理论对不同运营阶段的隧道结构进行动力响应