衬砌背后空洞对隧道抗震性能影响分析

目前关于隧道震害问题的研究主要集中于隧道洞门和洞口段,实际上仍有不少洞身衬砌在地震中产生严重震害,其中一个重要原因便是衬砌背后存在空洞或者回填不密实。通过大型有限元软件ABAQUS,采用无限元边界解决地震波的反射震荡问题,研究衬砌背后空洞对隧道的地震动力响应的影响。通过分析得到:密实状态下,即使在较大地震动力作用下,衬砌结构仍处于良好的受压状态;一旦衬砌背后存在空洞,地震作用下脱空区衬砌产生很大拉应力,可能导致衬砌开裂坍塌;同时,空洞处周边围岩产生塑性区,易引起岩体松弛掉落冲击衬砌。     

不滑移状态下深埋圆形隧道地震响应研究

地下结构的地震响应主要取决于由地震波传播产生的土体变形与土结相互作用。剪切波传播过程中将会引起隧道衬砌的椭圆化变形,进而降低衬砌有效承载力。剪切波作用下的深埋圆形隧道可认为处于均质的纯剪状态,基于相对刚度法的拟静力解析解可充分考虑土结相互作用对隧道结构内力的影响。基于此,本文将通过有限元数值分析获得的自由场地地基变形引入不滑移状态下深埋圆形隧道内力求解公式,并结合二维和三维数值模拟途径,将动力分析结果与解析解结果进行对比分析,以评价各种解析方法的适用性和数值途径的可靠性。     

地震作用下盾构隧道变形性能试验研究

地震作用下,盾构隧道的抗震变形性能限值是个重要指标。采用盾构区间隧道为原型,设计1/20的相似模型,考虑管片接头以及土体-结构相互作用,采用隧道结构加载试验系统,对盾构管片结构在不同的拼装方式和埋深下的变形行为进行了研究,测得了管片环的内力和位移。通过对6组试验结果进行分析对比,得出结论:埋深和拼装方式对盾构隧道结构变形有影响,对通缝结构的影响大于错缝结构;弹塑性分界点直径变形率限值,对通缝结构为0.56‰~1.00‰,对错缝结构为0.42‰~1.09‰;临界失稳点直径变形率限值,对通缝结构为16.87‰~21.44‰,对错缝结构为15.22‰~19.52‰。     

考虑材料损伤累积的型钢高强混凝土框架节点数值建模及参数分析

为研究地震作用下损伤累积对型钢高强混凝土框架节点抗震性能的影响,基于5榀型钢高强混凝土框架节点低周反复加载试验结果,分析节点构件损伤累积过程及其对刚度和强度的影响。从材料自身损伤入手,通过引入刚度影响系数考虑循环荷载作用下混凝土的单边效应,对Faria-Oliver本构模型进行改进,进而建立适应于型钢混凝土结构的材料损伤累积本构模型。同时基于该模型采用ANSYS分析软件对地震作用下的型钢高强混凝土框架节点进行数值分析,并与试验结果进行对比分析。结果表明:采用本文建立的材料损伤累积本构模型能较好地反映地震作用下型钢高强混凝土框架节点的损伤特性。在此基础上,进一步分析构件轴压比、配箍率、配钢率等设计参数对型钢高强混凝土框架节点抗震性能的影响。研究成果可为该类结构构件的抗震设计提供理论和技术支撑。     

穿越活断层铰链式衬砌隧道减震措施动力响应研究

鉴于穿越地震活动带逆断层的铁路山岭隧道易受逆断层滑动的影响,且目前铁路隧道穿越多条活动性断层可供借鉴经验较少的现状。文章采用数值分析方法,对活动逆断层错动下的铰链式衬砌隧道在地震荷载作用下围岩加固方式、超挖设计结构的动力响应进行对比分析。结果表明逆断层错动时,对浅部地层变形的影响范围大于深部,但最大附加变形出现在深部断层面附近,且错距越大其最大附加变形值越大,断层活动对隧道结构安全影响较为显著。注浆加固并不改变衬砌在地震中的震动频谱特性,宜采用施作单层衬砌预留修复空间的设计方案。对于是否超挖设计的两种工况下,衬砌位移变化规律一致,衬砌的震动频谱特性一致。经过监控量测发现支护压应力在埋设2个月左右后趋于稳定。所得结论可为今后类似工程结构设计与施工提供参考。     

平面SH波作用下衬砌隧道对地下地震动的影响

以地下隧道对附近场地动力特性的影响为研究目标,基于弹性波动理论,利用波函数展开法和镜像法,分析了弹性半空间中圆形衬砌隧道对平面SH波入射产生的散射问题,得到了地下圆形衬砌隧道附近场地位移的级数解答。通过数值算例分析了地下圆形衬砌隧道对场地动力响应的影响,重点考察了SH波入射角度、入射频率和隧道埋深、衬砌刚度对隧道周围土体动力响应随深度变化的影响规律。结果表明,地下隧道对沿线场地的地下地震动影响显著。     

基于粘性-滑移界面接触模型半空间隧道衬砌对平面P波的散射

基于粘性-滑移模型模拟隧道衬砌和围岩之间的接触状态,采用间接边界积分方程法求解弹性半空间中隧道衬砌对平面P波的散射,着重考察了地表位移放大和衬砌动应力集中效应。结果表明:接触滑移边界的刚度系数和粘度系数对隧道衬砌的动应力分布影响较大,滑移刚度较小时,共振频率段动应力集中效果更加显著;随着粘度系数的增大,衬砌内部环向应力幅值逐渐减小。另外,界面刚度系数和粘度系数对隧道衬砌动力反应的影响程度也受控于入射频率和角度。     

大型引水隧道在平面地震波入射下动力响应的解析解

本文以波函数展开法为基础,给出了SV波与P波入射时大型引水隧道平面地震响应的解析解.并根据解析解,利用数值方法对建立的场地模型进行了计算分析,研究了隧道结构-水体体系的地震响应.重点讨论了入射波频率、入射角、衬砌力学性能对衬砌结构动力响应的影响.分析表明,大型引水隧道动力响应受入射波频率和入射角的影响较为明显,而衬砌力...     

Seismic performance of steel reinforced ultra high-strength concrete composite frame joints

To investigate the seismic performance of a composite frame comprised of steel reinforced ultra high-strength concrete (SRUHSC) columns and steel reinforced concrete (SRC) beams, six interior frame joint specimens were designed and tested under low cyclically lateral load. The effects of the axial load ratio and volumetric stirrup ratio were studied on the characteristics of the frame joint performance including crack pattern, failure mode, ductility, energy dissipation capacity, strength degradation and rigidity degradation. It was found that all joint specimens behaved in a ductile manner with flexural-shear failure in the joint core region while plastic hinges appeared at the beam ends. The ductility and energy absorption capacity of joints increased as the axial load ratio decreased and the volumetric stirrup ratio increased. The displacement ductility coefficient and equivalent damping coefficient of the joints fell between the corresponding coefficients of the steel reinforced concrete (SRC) frame joint and RC frame joint. The axial load ratio and volumetric stirrup ratio have less influence on the strength degradation and more influence on the stiffness degradation. The stiffness of the joint degrades more significantly for a low volumetric stirrup ratio and high axial load ratio. The characteristics obtained from the SRUHSC composite frame joint specimens with better seismic performance may be a useful reference in future engineering applications.     

Seismic wave propagation effects on buried segmented pipelines

This paper deals with seismic wave propagation effects on buried segmented pipelines. A finite element model is developed for estimating the axial pipe strain and relative joint displacement of segmented pipelines. The model accounts for the effects of peak ground strain, shear transfer between soil and pipeline, axial stiffness of the pipeline, joint characteristics of the pipeline, and variability of the joint capacity and stiffness. For engineering applications, simplified analytical equations are developed for estimating the maximum pipe strain and relative joint displacement. The finite element and analytical solutions show that the segmented pipeline is relatively flexible with respect to ground deformation induced by seismic waves and deforms together with the ground. The ground strain within each pipe segmental length is shared by the joint displacement and pipe barrel strain. When the maximum ground strain is higher than 0.001, the pipe barrel strain is relatively small and can be ignored. The relative joint displacement of the segmented pipeline is mainly affected by the variability of the joint pullout capacity and accumulates at locally weak joints.     

Seismic response of shallow circular tunnels in two-layered ground

The effect of ground stratification on the seismic response of circular tunnels is investigated, as most practice-oriented studies consider homogeneous ground. A finite element plain-strain model of a circular tunnel cross-section embedded in a two-layered ground is used to highlight the influence of stratification on the tunnel׳s seismic response. The layers interface was placed at the crown, centre and invert level.It is proved that ground stratification has an important role in the lining seismic forces. When the tunnel is fully embedded in one of the layers, the seismic lining forces may vary significantly in comparison with the single-layer case. If the tunnel intercepts both layers, maximum lining forces aggravation occurs when the lower layer is very stiff.     

强震作用下黄土隧道洞口段地震动放大效应研究

针对黄土地区山岭隧道面临的强震灾害现实特点,以强震作用下洞口周边土体与隧道结构的地震动放大效应为主要研究目标,通过建立三维数值模型,重点研究不同坡度、坡高与入洞高程模型的坡面高程方向、水平方向以及衬砌结构的加速度与位移响应规律,提出坡面加固区范围和隧道抗震设防长度建议值。研究结果表明:仰坡高度、坡角及进洞高程的变化,均会对隧道洞口段地震响应规律和破坏模式产生重要影响,缓坡易发生坡底处的剪切破坏,而陡坡易发生坡顶的拉裂破坏;随着边坡高度的增大,边坡的滑动破坏范围逐渐增大;隧道的存在对坡面地震动高程放大效应有明显"抑制"作用,在洞口水平向存在动力响应放大区,范围为2.1～2.8倍洞径;通过分析隧道衬砌沿进深方向的动力响应规律,建议黄土隧道洞口段抗震设防长度最小值为3倍洞径。     

带隅撑胶合木梁-双肢柱框架结构节点抗震性能试验研究

针对胶合木梁-柱节点抗弯能力弱的问题,提出了一种带隅撑的胶合木梁-双肢柱框架结构节点,以提高节点的转动刚度,改善梁柱结构框架的抗侧性能.对3组6个足尺胶合木梁-双肢柱框架结构节点进行了单调和低周反复加载试验以研究节点的抗震性能.结果表明:无隅撑节点类似于铰接,抗弯承载力很小,增设隅撑后显著提高了节点的转动刚度和抗弯承载...     

平面P波入射下深埋圆形复合式衬砌隧道抗减震机理研究

基于Fourier-Bessel级数展开法,研究深埋圆形三层复合式衬砌洞室在平面P波入射下的动应力集中问题,并给出三层衬砌洞室动应力集中系数级数解析解;依托某IX度地震区管道隧道实际工程,分析不同衬砌刚度组合和厚度组合对洞室动应力集中系数的影响。研究表明:注浆加固洞室围岩和设置减震层都可以降低二次衬砌动应力集中系数;增大围岩注浆区弹性模量和厚度,有利于减小衬砌动应力集中系数,最优围岩注浆区厚度为1倍洞室净空半径;减震层弹性模量降低,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层弹性模量宜低于围岩弹模1/20,最优减震层厚度宜取1/50的洞室内净空半径。最后针对实际管道隧道抗减震技术,考虑围岩稳定性,提出"围岩-加固圈-减震层-衬砌"新型减震结构,分析结果表明:对比其他三种抗减震措施,新型减震结构的减震效果最好。     

地震荷载作用下兰州地铁隧道结构动力响应

根据《兰州轨道交通1号线一期工程地震安全性评价报告》所给出的100年超越概率63%、10%和2%的场地基岩地震加速度时程,利用有限差分软件进行地下隧道硐室的地震反应分析。在模型底部施加基岩地震动,设置监测点监测衬砌结构的弯矩、轴力及剪力随时间的变化过程,得到100年超越概率63%、10%及2%工况下的隧道结构地震响应。结果表明:隧道衬砌结构最大弯矩位于拱顶处,最大轴力位于拱顶和拱底处,最大剪力位于上侧壁或下侧壁处;隧道结构内力随着超越概率的降低而增大;以超越概率63%的结构最大内力为基准值,在超越概率10%和2%时,弯矩分别增大1.2和1.7倍,轴力分别增大1.3和1.5倍,剪力分别增大1.5和2.9倍,增幅最大。这可能预示着隧道结构在强地震动作用下会发生剪切破坏。     

复杂软土盾构隧道纵向抗震分析

以天津Z2线盾构隧道工程为实例,基于ABAQUS有限元软件,建立三维梁-弹簧模型模拟盾构隧道,采用反应位移法对盾构隧道进行纵向抗震分析。根据盾构隧道接头实际情况,计算环间接头弹簧刚度。将地震作用下的自由场最大水平位移幅值,以简谐波的形式施加到盾构隧道轴向和横向。提出一种同时考虑轴向和横向水平地震动耦联效应的方法,通过调整轴向和横向(1/0.85或0.85/1)位移幅值的组合,求解了4种工况下盾构隧道的内力和接头张开量。通过对结果进行比较分析,得出一些对抗震设计具有参考价值的结论。     

地质条件对隧道地震响应的影响因素研究

地质条件对隧道的地震响应的影响因素研究,目前已有较多研究者开展,但多数研究者关注单因素研究,但对多因素及各因素间相互作用关注较少.本文以华丽高速公路典型隧道为工程背景,将其抽象为数值算例,并基于正交设计及均匀设计等试验方法,分别研究地质条件中岩体的力学效应、应力状态效应、结构面的力学效应对隧道的影响.研究结果表明:对于...     

盾构施工对不同刚度桩体影响的数值分析

针对苏州轻轨一号线盾构隧道的施工情况,采用三维有限元数值模型,研究了盾构施工对不同刚度桩体的影响。计算结果表明：当盾构施工时,不同刚度桩体均偏向隧道移动,在隧道轴线处的横向位移均为最大。桩身横向位移最大值、竖向位移随桩体刚度增大而变小,桩身轴力、弯矩则随桩体刚度增大而逐渐增大,桩身最大负弯矩均出现在隧道轴线位置处。在盾构正下方穿越单桩过程中,桩身沿隧道轴向位移近似为一条直线。当桩体弹性模量为0.5 GPa时,柱顶和桩底处竖向位移相差较大;当桩体弹性模量大于0.5 GPa时,桩身竖向位移急剧增大。桩身轴力沿桩身两端大、中间小。桩身弯矩随桩体弹性模量增大而明显增大。     

考虑地震波激振方向的浅埋偏压双联拱黄土隧道动力响应规律研究

以实际工程为背景,在模型试验结果和数值模拟结果验证合理的基础上,通过建立三维数值模型,研究兰州人工波在不同激振方向下坡-隧体系动力响应规律,通过小波包变换从能量和频域角度对衬砌结构动力响应规律进行分析。研究结果表明：水平、竖直面内垂直隧道轴向(X、Z)的地震波在隧道最大埋深处引起较大响应,水平面平行于隧道轴向的地震波(Y)对埋深较浅的洞口处的结构最为不利。频率在0～12.5 Hz范围内的低频波是引起隧道结构响应的主要波段,该频段中竖直向地震波(Z)能量相较于其他方向地震波能量占比最高。地震作用中衬砌结构的存在对坡体内的围岩变形有一定的抑制效应。X、Y向地震波容易引起坡脚附近的围岩发生剪切破坏,Y向地震波对隧道洞口段仰坡的稳定性影响最大;Z向地震波容易造成坡顶附近区域围岩的拉伸破坏,且对隧道拱顶附近产生最不利响应。研究成果对浅埋偏压双联拱隧道的抗震优化设计具有借鉴意义。