门源MS6.9地震中大梁隧道地震动响应分析

2022年1月8日,青海省门源县发生M_S6.9地震,造成震中附近的兰新高铁大梁隧道受损,导致高铁长时停运。文章通过建立二维平面应变模型,加载双向门源波进行动力时程分析,得到了大梁隧道的地震动响应结果,并对模型在震后的受力变形及震害特征进行详细分析。结果表明：在门源波双向加载下,大梁隧道的地震动响应受水平地震荷载影响很大;沿着y轴正向,隧道的截面形状对纵向位移和加速度的地震动响应有加强作用;拱顶处地震动响应最大,其竖向及横向地震动响应加速度分别为5.206 4 m/s²、4.534 8 m/s²,竖向及横向位移分别为7.070 9 cm、0.641 5 cm;拱底处地震动响应最小,其竖向及横向地震动响应加速度分别为3.287 6 m/s²、4.511 2 m/s²,竖向及横向位移分别为4.851 6 cm、0.625 2 cm;拱肩、拱脚处存在明显的应力集中现象,拱顶、拱底、拱肩及拱脚处内力的受力形式发生变化,但是衬砌应力和内力的极值均发生在拱腰及拱脚处,说明拱腰及拱脚处为震害严...     

山岭隧道洞口段围岩注浆厚度对抗震效果的影响分析

以山岭隧道洞口段为研究对象,通过有限元数值模拟验证在不同注浆加固厚度下的加固效果,结果表明:注浆加固措施对拱顶沉降和最大加速度有一定的影响,随着注浆加固厚度的增大,隧道各个部位的拱顶沉降和最大加速度逐渐减小,最大位移降幅发生在拱顶,最小发生在仰拱;隧道左侧最大主应力整体大于右侧,最大值部位为左拱脚处,这与整个隧道洞口左侧处于浅埋偏压有关;注浆加固围岩能够减小隧道的应力,入射10％超越概率地震波时,除个别监测点外其余部位都有不同程度的降低,左隧道拱顶处降低幅度最大,右隧道为右拱腰处.入射2％超越概率地震波时,双侧隧道各部位都有一定程度的降低,左隧道降低幅度平均值约为15.5％,右隧道约为11.3％;虽然注浆加固措施对山岭隧道洞口段有一定的作用,但降低幅度有限,对于强震区应采用联合加固措施,以保证隧道的稳定性.     

高烈度区公路隧道横通道地震响应分析

双洞隧道主隧道与横通道交接部位是隧道抗震中的薄弱位置,以穿越高烈度区隧道为背景,采用MIDAS GTS-NX有限元分析软件,对在汶川地震动作用下的公路隧道横通道进行地震响应分析。在X方向和Y方向地震动荷载的共同作用下,通过对围岩和衬砌的计算结果研究,得出以下结论:隧道整体的最大相对位移主要发生在主隧道与横通道拱顶和连接处;衬砌相对位移随埋深增加而减小;隧道产生的横向变形更大;横通道边墙位置更容易受到剪切破坏,主隧道与横通道连接处拱脚的弯矩、剪力、最大主应力和最大剪应力最大,应重点采取设防措施。     

双向地震耦合作用下浅埋偏压黄土隧道共振特性研究

历次震害表明隧道等地下结构受地震影响较大,当地震动的卓越频率与结构的固有频率一致时,引发的共振会对结构产生更严重的破坏。针对共振这一地震中的特殊现象,通过ANSYS分析研究浅埋偏压黄土隧道在双向地震耦合作用下隧道衬砌各处的共振响应和围岩至衬砌段共振响应峰值的变化规律,同时考虑偏压角度和断面最大跨径对共振响应峰值的影响。研究结果表明：浅埋偏压黄土隧道具有多阶固有频率,衬砌的位移和应力均出现了共振现象且共振不表现出结构的自振频率特征;从围岩至衬砌段的共振响应具有放大效应;水平位移峰值随偏压角度的增大而减小;适当增大断面最大跨径对于抵抗共振是有利的;拱腰和拱脚处的主应力受共振影响较大,在隧道的抗震设计中应予以加强。     

山岭隧道洞口段地震响应振动台模型试验研究

通过对已有震害的调查发现,洞口段为山岭隧道抗震的薄弱环节,容易发生边坡失稳及衬砌结构的损坏。对隧道洞口段进行了大型振动台模型试验研究。研究结果表明:由于洞口仰坡临空面的存在,在距离洞口一定范围内会出现加速度的"放大效应",这种"放大效应"会导致衬砌间的非一致振动;应变结果显示:衬砌结构主要以横向受力为主,地震附加应力主要集中在拱肩和拱脚,这些部位为衬砌结构抗震的薄弱环节,试验中距洞口一定距离处的衬砌结构最先破坏,故洞口加速度的"放大效应"并不代表衬砌结构地震反应内力的放大,洞口处衬砌结构惯性力不是结构地震反应附加内力的主导部分;洞口仰坡的坡面位移随着高程的增大呈抛物线形增长,衬砌结构整体变形为椭圆形,变形较大的位置为拱肩和拱脚;随着地震波的逐级加载,洞口仰坡发生推动式滑坡,从而引起衬砌结构的破坏,施工缝的存在消耗围岩变形对衬砌结构产生的附加内力,有助于衬砌结构抗震。试验研究结论可供软弱围岩下山岭隧道洞口段的抗震设计参考。     

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。     

地震作用下夯土城墙动力响应分析——以山丹明长城为例

2022年1月8日门源M6.9地震造成山丹明长城局部破坏。为研究此次地震作用下夯土城墙的动力响应与破坏特征,基于地震现场考察结果,采用振幅等效处理后的记录地震波为输入地震动,开展双向地震荷载作用下夯土城墙的动力响应数值分析,研究不同位置测点的最大位移、峰值加速度与墙体应力分布特征,探讨地震导致夯土城墙破坏的主要内因。研究结果表明：双向地震荷载作用下,墙体位移和峰值加速度(PGA)随着高度的增加逐渐增加,但距墙体底部0.5 m高度范围内PGA放大效应不明显,最大位移、加速度均出现在墙体顶部裂缝位置处;水平地震荷载作用下墙体的地震动响应更为显著;墙体的最大主应力、最大剪应力均出现在有裂缝处的底端掏蚀悬空部位,墙体裂缝、夯筑搭接、掏蚀悬空处应力集中明显;裂缝对夯土城墙的地震动放大效应在一定高度范围内表现为弱化作用,但随高度增加逐渐过渡为强化作用;裂缝可显著增强墙体顶部地震动响应,可能是本次地震诱发城墙破坏的主要内因。研究成果可为古城墙遗址的加固修缮提供科学指导。     

深埋公路隧道在双向地震动作用下的最大动力反应分析

为了解地震对深埋公路隧道的影响,以有限元软件MIDAS/GTS对武罐高速公路小石村隧道深埋段进行了单向、双向地震动作用和自重作用下的数值分析.地震动输入采用隧址区经过基线校正的50年10％超越概率的加速度时程.结果表明:双向地震作用对隧道结构的影响明显大于单向地震作用;隧道拱脚和拱顶处为地震作用下的最危险部位;纵向与竖向地震力的共同作用对隧道结构的影响最大.地震对深埋隧道的影响不可忽略.     

考虑边坡进洞高程的黄土隧道洞口段动力响应数值模拟

利用Midas-GTS建立边坡-隧道结构模型,对宝兰客专黄土隧道洞口段在地震作用下的动力响应特征进行数值模拟研究,分析边坡进洞高程对洞口段动力响应的影响,在此基础上讨论隧道洞口段受力变形特征及其分布规律。研究表明:坡面最大位移随着仰坡坡度的增大而增大;仰坡坡度越大、进洞高程越高,隧道洞口段的衬砌变形就越大;坡面和衬砌加速度最大值随着仰坡坡度的增大而减小;当洞口段隧道长度Y≥60 m时,进洞高程越大,衬砌加速度越小。洞口段仰拱最大主应力整体大于拱顶最大主应力,但二者变化趋势基本一致;在洞口段0~20 m范围内,由于坡隧系统相互作用交互影响,衬砌结构受力情况较为复杂。     

入洞高程对黄土隧道洞口段动力响应特征的影响分析

针对桥隧耦接过程中隧道面临的入洞高程及仰坡坡度的问题,采用三维数值模拟的方法,通过设置不同坡度与不同入洞高程的模型,探究隧道及仰坡在这两种因素共同影响下的动力响应。研究结果表明:(1)在振动荷载作用下,隧道拱顶的位移随着距洞口距离的增加而减小,位移峰值位于距洞口y=0m断面处,不同坡度、不同入洞高程模型均符合这一特征。(2)随着仰坡坡度的增加,隧道入洞高程的选择也应趋于增大,文中定义的隧道截面最大位移差Δ_(max)可尝试为衡量地震动力响应提供一种新的判断思路。(3)隧道的存在对坡面的动力响应有一定影响,这种影响在洞口1~1.5倍跨径范围内最明显。     

Dynamic Response of Shallow-Buried Tunnels Traversing High Loess Slopes

Considering the existence of numerous shallow-buried tunnels traversing high slopes in the loess area in western China and the fact of high seismic intensity there, we investigate the dynamic response rules of a shallow-buried loess tunnel and its slope under the action of seismic waves with different intensities. Through large-scale shaking table model tests,we successfully analyze the characteristics and process of the destabilization of tunnels and slopes, and propose valuable suggestions regarding the reinforcement parts of a tunnel for reducing seismic damage. The results show that the main seismic damage on a slope include the failure of the sliding surface between the top and foot and the stripping of the soil around the tunnel entrance, while the damage on a tunnel is mainly manifested as the seismic-induced subsidence at the portal section and the cracking deformation at the joint areas. Finally,we propose that the "staggered peak distribution" phenomenon of the maximum acceleration values at the vault and inverted arch area can be considered as a criterion indicating that the tunnel enters into the threshold of dynamic failure.     

盾构隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,盾构隧道横断面抗震性能的研究日益受到业界关注。以武汉长江隧道为例,对土体采用D-P本构模型,盾构隧道结构采用梁-弹簧模型,建立盾构隧道横断面二维模型进行动力有限元计算,该模型顶部采用自由边界,侧面采用自由场边界,底部采用静态边界。选用0.1g的天津波和场地人工波作为激励,研究了盾构隧道结构的加速度、变形和内力响应。结果表明：盾构隧道的拱顶与拱底的加速度响应大于隧道左侧、右侧;隧道拱底的绝对位移响应最大;地震作用对隧道衬砌结构的内力增量较为明显。目前的隧道结构设计可以满足结构抗震性能要求。     

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。     

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。     

地铁车站与隧道连接处地震响应分析

结构截面刚度突变处是地下结构抗震的薄弱部位,为研究地铁车站与隧道连接处的地震响应,本文建立有限差分数值模型,分析地震作用下车站与隧道连接处的薄弱部位、连接处附近的侧墙变形分布特征以及地表沉降分布特征,重点探究埋深、地震动特征以及周围土体刚度对连接处隧道应力的影响。结果表明:连接处端墙底部跨中、端墙洞口的顶部和底部是抗震的薄弱部位;连接处端墙存在对侧墙变形分布、地表沉降分布有一定影响;结构埋深,地震动频谱、幅值对连接处隧道应力响应有较大影响,结构周围土体的刚度在一定范围内对连接处隧道应力有较大影响。     

大跨度钢管混凝土拱桥非线性抗震性能研究

基于OpenSees平台建立钢管混凝土拱桥动力分析模型,并与Midas Civil模型结果进行比对。通过一条强震记录下的IDA分析,得到钢管混凝土拱桥拱肋横桥向非线性地震性能,比较拱肋采用弹性梁单元和纤维梁单元两种模型的拱脚弯矩时程曲线和拱顶位移时程曲线,分析拱肋关键截面屈服机理,绘制它们的曲率IDA曲线和拱顶位移IDA曲线。研究结果表明:横桥向在强震作用下拱脚和拱顶不一定先屈服,而是在拱肋截面突变或有集中质量连接处,在设计时需重点考虑;随着地震动增大,先是与横撑连接处拱肋首先屈服,然后是拱脚和拱顶位置,最后向整个拱肋扩展,拱肋非线性性能良好,仍有一定的抗震储备能力。     

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。