隧道地震反应分析
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收稿日期：２００７－０８－０９作者简介：张昀保，男，１９７９～，助理工程师。
主要从事隧道及岩土工程科研工作。
隧道地震反应分析张昀保１张向东２赵立峰３（１．河北省水利科学研究院石家庄０５００５７；２石家庄铁路职业技术学院土木工程系石家庄０５００４１；３．河北省水利水电第二勘测设计研究院石家庄０５００２１）摘要针对北京地铁隧道，采用弹性地基模型，以ＥＩ地震波为地震荷载，进行了平面有限元动力计算分析。
该计算结果既可为相似的隧道设计提供一定的参考依据，也可为地下结构的抗震设计规范的修订提供一定的计算数据。
关键词动力响应地铁隧道地震波中图分类号Ｕ４５２．２文献标识码ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＤｙｎａｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＳｕｂｗａｙＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｕｅｔｏＥａｒｔｈｑｕａｋｅＺｈａｎｇＹｕｎｂａｏ１ＺｈａｎｇＸｉａｎｇｄｏｎｇ２ＺｈａｏＬｉｆｅｎｇ３（１．ＨｅｂｅｉＷａｔｅｒａｎｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００５７；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｃｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＲａｉｌｗａｙＶｏｃａｔｉｏｎａｌａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００４１；３．ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｕｒｖｅｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒｏｆＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００２１）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｏｔｈｅＰｅｋｉｎｇｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｒｅｓｉｓｔａｎｔｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｄｏｐｔｉｎｇｅｌａｓｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｗｉｔｈＥＩｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｆｏｒｅａｒｔｈｑｕａｋｅｌｏａｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｃａｎｇｉｖｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｔｕｎｎｅｌｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｃａｎａｌｓｏｇｉｖｅｓｏｍｅｄａｔａｔｏｔｈｅｃｏｄｅｆｏｒｓｅｉｓｍｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｓｕｂｗａｙ；ｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅ随着城市化程度的不断提高，城市规模的不断扩大，城市交通问题日益成为制约城市发展的障碍，因此开发地下空间来解决城市交通问题无疑显得越来越重要了，而地下隧道无疑是最主要的解决手段之一。
目前，我国的许多大城市都已建有地下隧道交通网，如北京、上海、天津等城市，同时，全国还有二十几个城市在进行这方面的规划。
值得注意的是许多地下隧道结构所处地区都位于地震频发地带，如北京、天津、西安等大城市都位于八度的高烈度地震区。
为地震设防区，地下结构的抗震设计及其安全评价成为工程设计人员日益关心的重要问题。
但是，随着地铁工程的兴建，地铁工程在抗震设计方面却没有现成的法规可循。
现有的地铁抗震设计主要是依据《公路工程抗震设计规范》（ＪＴＪ００４—８９）、《建筑物抗震设计规范》（ＧＢ５００１１—２００１）及《地下轨道设计规范》（ＧＢ５０１５７—９２）来进行。
但地下结构相对地面结构而言，有许多不同之处，地下结构抗震设计沿用地面结构的设计规范具有很多弊端。
地下结构抗震分析方法主要有等效静力法、反应位移法和平面有限元动力计算。
地铁规范给出的抗震设计方法为等效静力法。
等效静力法大致与地面结构抗震设计的方法类似，没有考虑土与结构间的相互作用，其主要用于结构形式较为简单，重要程度不高，或仅需粗略估算地震荷载的情况。
考虑文章编号：ＪＬ０１－０２３５（２００８）０１－００５４－０４河北交通科技ＨｅｂｅｉＪｉａｏｔｏｎｇＳｃｉｅｎｃｅＡｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第５卷第１期２００８年３月Ｖｏｌ．５Ｎｏ．１Ｍａｒ．２００８第１期时间／ｓ００．０２０．０４０．０６０．０８０．１０．１２０．１４０．１６０．１８０．２０．２２０．２４０．２６０．２８０．３０．３２０．３４０．３６０．３８０．４０．４２０．４４０．４６０．４８０．５０．５２０．５４０．５６０．５８０．６０．６２０．６４０．６６０．６８０．７０．７２０．７４０．７６０．７８０．８０．８２０．８４竖向加速度／ｃｍ／ｓ２－１．４－１０．８－１０．１－８．８－９．５－１２－１４．２－１２．８－１１－８．５－８．５－１３．１－１７．６－１９．４－１６．２－１４．４－１０．８－８．２－４．２－６．６－１３．１－１９－１９．６－６．６３１４．１－４．９－１２．８－１４．４－２０．３－２６－３２．５－３０．６－１７．２－１９．７－１６．３－１６．４－６．７２．５１５２３．６２５．２３３．６竖向加速度－０．００４０２１３６－０．０３１０２１９２－０．０２９０１１２４－０．０２５２７７１２－０．０２７２８７８－０．０３４４６８８－０．０４０７８８０８－０．０３６７６６７２－０．０３１５９６４－０．０２４４１５４－０．０２４４１５４－０．０３７６２８４４－０．０５０５５４２４－０．０５５７２４５６－０．０４６５３２８８－０．０４１３６２５６－０．０３１０２１９２－０．０２３５５３６８－０．０１２０６４０８－０．０１８９５７８４－０．０３７６２８４４－０．０５４５７５６－０．０５６２９９０４－０．０１８９５７８４０．００８６１７２０．０４０５００８４－０．０１４０７４７６－０．０３６７６６７２－０．０４１３６２５６－０．０５８３０９７２－０．０７４６８２４－０．０９３３５３－０．０８７８９５４４－０．０４９４０５２８－０．０５６５８６２８－０．０４６８２０１２－０．０４７１０７３６－０．０１９２４５０８０．００７１８１０．０４３０８６０．０６７７８８６４０．０７２３８４４８０．０９６５１２６４水平加速度－０．００８０４２７２－０．０６２０４３８４－０．０５８０２２４８－０．０５０５５４２４－０．０５４５７５６－０．０６８９３７６－０．０８１５７６１６－０．０７３５３３４４－０．０６３１９２８－０．０４８８３０８－０．０４８８３０８－０．０７５２５６８８－０．１０１１０８４８－０．１１１４４９１２－０．０９３０６５７６－０．０８２７２５１２－０．０６２０４３８４－０．０４７１０７３６－０．０２４１２８１６－０．０３７９１５６８－０．０７５２５６８８－０．１０９１５１２－０．１１２５９８０８－０．０３７９１５６８０．０１７２３４４０．０８１００１６８－０．０２８１４９５２－０．０７３５３３４４－０．０８２７２５１２－０．１１６６１９４４－０．１４９３６４８－０．１８６７０６－０．１７５７９０８８－０．０９８８１０５６－０．１１３１７２５６－０．０９３６４０２４－０．０９４２１４７２－０．０３８４９０１６０．０１４３６２０．０８６１７２０．１３５５７７２０．１４４７６８９６０．１９３０２５２８了土与结构间的相互作用的方法典型的有反应位移法和有限元动力计算方法。
文中以北京地铁隧道为例，采用ａｎｓｙｓ有限元软件，输入修正的埃尔森特罗地震波，进行了平面有限元动力计算分析。
１地震反应分析１．１隧道及土层参数北京地铁十号线工—呼区间，开挖宽度Ｄ为６．０ｍ，覆土厚度ｈ为１８ｍ，断面高度Ｈｔ为６．３３ｍ。
根据地层统计资料，地层重度γ取１９．６３ｋＮ／ｍ３，内摩擦角"取２０．８８°。
依据抗震规范，北京属于二类场地土，抗震设防烈度为８度，设计基本地震加速度值为０．２ｇ。
采用埃尔森特罗地震波比较合适。
埃而森特罗（ＥＩＣｅｎｔｒｏ）地震波的时间间隔为０．０２ｓ，持续时间取３０ｓ适合于２类场地土，中软土。
埃尔森特罗地震波的最大竖向地震记录为３４１．７００ｃｍ／ｓ２，计算中必须将实际的地震记录的峰值折算成所需的基本烈度，一般取ａｖ＝ａ／２。
折算系数为ａｖａｖｍａｘ＝０．２ｇ×１００／２３４７．１＝０．２８７２埃尔森特罗地震波乘以０．２８７２后使用，地震波修正输入值如表１所示。
表１中，水平加速度值为竖向速度的２倍。
该记录共有１５０１条，因篇幅所限，表１只列出了一部分。
１．２计算模型表１地震波输入值原始的ＥＩ波记录修正后的输入值／ｍ／ｓ２图１隧道模型及节点分布图张昀保等：隧道地震反应分析５５河北交通科技２００８年５６第１期采用ａｎｓｙｓ有限元软件进行了计算，计算模型为弹性地基梁。
水平弹性抗力系数４３．７２×１０６Ｎ／ｍ２，竖直弹性抗力系数６８．４９×１０６Ｎ／ｍ２。
节点编号如图１所示。
１节点为隧道顶部点，２节点为隧道最低点，１７节点为隧道中部左边点，４６节点为隧道中部右边点。
１．３计算结果与分析采用上述模型，进行瞬态动力分析。
图２￣图９给出了几个典型点１节点、２节点、１７节点、４６节点的振动位移时程曲线和振动加速度时程曲线。
从图２￣图９可以看出，１节点的最大位移为－１．１３ｅ－０３ｍ，最大加速度为８．７７ｅ－０２ｍ／ｓ２，２节点的最大位移为－３．７７ｅ－０４ｍ，最大加速度为４．９２ｅ－０２ｍ／ｓ２，１７节点的最大位移为３．７２ｅ－０４ｍ，最大加速度为０．１１６６３８ｍ／ｓ２，４６节点的最大位移为－３．７２ｅ－０４ｍ，最大加速度为１．５８ｅ－０２ｍ／ｓ２。
从结果来看，隧道的顶点和底板点的震动位移的差值为０．７５３ｍｍ，可以满足规范的要求。
但振动加速度值偏高。
应适当地采取一定的抗震措施。
频谱组成具有低频放大、高频过滤的特征。
４结论文中以北京地铁隧道为例，采用ａｎｓｙｓ有限元软件，输入修正的埃尔森特罗地震波，进行了平面有限元动力计算分析。
从结果来看，隧道的顶点和底板点的震动位移的差值为０．７５３ｍｍ，可以满足规范的要求。
但振动加速度值偏高。
应适当的采取一定的抗震措施。
频谱组成具有低频放大，高频过滤的特征。
该计算结果既可为相似的隧道设计提供一定的参考依据，也可为地下结构的抗震设计规范的修订提供一定的计算数据。
参考文献［１］林皋．地下结构抗震分析综述［Ｊ］．世界地震工程，１９９０，（２）［２］林皋．地下结构抗震问题［Ａ］．在・第四届全国地震工程会议［Ｃ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９４［３］郑永来等．地下结构抗震［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２００５［４］周德培．地铁抗震设计准则［Ｊ］．世界隧道，１９９５，（２）［５］屠树根．日本沉管隧道抗震设计准则［Ｊ］．世界隧道，１９９５，（２）很小，可以忽略不计；竖向上在拱顶位移最大。
（４）反应谱结果能够大致反应出各截面反应值的相对大小，因此在进行时程分析前，将反应谱作为一种估算方法选择截面，同时对时程结果进行校核。
