• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析

王杰 刘华北 邹炎 阮滨

王杰, 刘华北, 邹炎, 阮滨. 水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析[J]. 震灾防御技术, 2020, 15(4): 670-683. doi: 10.11899/zzfy20200402
引用本文: 王杰, 刘华北, 邹炎, 阮滨. 水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析[J]. 震灾防御技术, 2020, 15(4): 670-683. doi: 10.11899/zzfy20200402
Wang jie, Liu Huabei, Zou Yan, Ruan Bin. Response Analysis of Twin Tunnels Under Horizontal and Vertical Earthquake Loading[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2020, 15(4): 670-683. doi: 10.11899/zzfy20200402
Citation: Wang jie, Liu Huabei, Zou Yan, Ruan Bin. Response Analysis of Twin Tunnels Under Horizontal and Vertical Earthquake Loading[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2020, 15(4): 670-683. doi: 10.11899/zzfy20200402

水平及竖向地震共同作用下双线隧道的响应分析

doi: 10.11899/zzfy20200402
基金项目: 

国家自然科学基金 51978305

详细信息
    作者简介:

    王杰, 男, 生于1988年。博士研究生。主要从事隧道及地下工程的防灾减灾工程研究。E-mail: evmlwj@hust.edu.cn

    通讯作者:

    邹炎, 男, 生于1987年。博士后, 副研究员。主要从事地震工程及地下工程的防灾减灾工程研究。E-mail: zou_yan@hust.edu.cn

Response Analysis of Twin Tunnels Under Horizontal and Vertical Earthquake Loading

  • 摘要: 基于有效的土-结相互作用有限元数值模拟方法,利用有限元软件ABAQUS对水平及竖向地震共同作用下双线盾构隧道的地震响应进行分析研究。地震动输入选取近场地震Loma、ChiChi、Mammoth和WoLong的基岩水平及竖向加速度时程记录。结果表明,不同近场地震记录对隧道结构的作用不同,隧道的地震反应与场地性质及地震动的频谱特性密切相关。对比隧道在水平及竖向地震动共同作用下的响应与单向水平地震动作用下的响应,发现隧道的最大地震附加内力及其分布均发生较大的变化,在隧道结构抗震设计中需引起重视。另外,分析中还考虑了在双向地震动共同作用下,隧道间距、土-结接触面的摩擦系数、土-结相对刚度、输入的地震记录和竖向地震动相对强度对隧道地震响应的影响等,研究结果对隧道工程的抗震设计具有一定的参考价值。
  • 图  1  有限元模型示意图及各土层动剪切模量比和阻尼比随剪应变变化图

    Figure  1.  Schematic diagram of the finite element model and the relation curves of dynamic shear module ratio and damp ration shear strain for soils

    图  2  近场地震记录的水平地震动、竖向地震动加速度时程和水平加速度反应谱

    Figure  2.  Acceleration time histories of the horizontal and vertical ground motions and horizontal acceleration response spectra of the near-field seismic records

    图  3  Loma地震记录双向地震动作用下不同隧道间距的附加内力

    Figure  3.  Additional internal forces of tunnel linings with different tunnel spacings under the loading of Loma seismic record

    图  4  不同的土-结接触面摩擦系数下的隧道最大附加内力变化曲线(Loma地震记录作用下)

    Figure  4.  The variation curves of maximum additional internal forces of the tunnel with different friction coefficients of the contact surface between the soil and tunnel(Under the loading of Loma seismic record)

    图  5  隧道最大附加内力与隧道刚度的关系(Loma地震记录作用下)

    Figure  5.  The relationship between the maximum additional internal forces of the lining and the lining stiffness(Under the loading of Loma seismic record)

    图  6  不同近场地震记录作用下隧道的附加弯矩

    Figure  6.  The additional bending moments of the lining under the loadings of different near-field seismic records

    图  7  不同近场地震记录作用下隧道的附加轴力

    Figure  7.  The additional axial forces of the lining under the loading of different near-field seismic records

    图  8  土层加速度放大系数和标准加速度反应谱分析

    Figure  8.  The analysis of soil acceleration amplification coefficient and standard acceleration response spectrum

    图  9  不同近场地震记录的水平地震动作用下,土层自由场各深度处的水平加速度放大系数

    Figure  9.  The horizontal acceleration amplification coefficients of the free field under the loadings of the horizontal ground motions of different near-field seismic records

    图  10  隧道在Wolong地震记录的不同竖向地震动相对强度作用下的附加内力

    Figure  10.  Additional internal forces of the lining with different V/H ratios of the WoLong seismic inputs

    图  11  Wolong地震记录作用下不同的竖向地震动相对强度下隧道的最大附加内力和土层自由场最大平均剪应变

    Figure  11.  Variation trends of maximum additional internal forces of the lining and maximum average shear strain of the free field under loading of Wolong seismic record

    图  12  不同近场地震记录下隧道在单向和双向地震荷载作用下最大附加内力

    Figure  12.  The maximum additional internal forces of the lining under unidirectional and bidirectional loads resulted by different near-field earthquake records

    表  1  土层的相应参数

    Table  1.   Corresponding parameters of soil layers

    土层类别 厚度/m 初始剪切模量/MPa 密度/×103 kg·m-3 A 2B r0 /×10-4 泊松比
    黏性土 18 50.67 1.94 1.12 0.82 9.00 0.35
    砂质黏性土 4 100.84 1.98 1.00 0.76 7.38 0.32
    中粗砂 5 149.73 1.98 1.00 0.70 9.67 0.30
    砂层 13 300.84 1.98 1.10 0.74 9.50 0.30
    砾质黏性土 16 361.57 1.96 1.20 0.74 10.03 0.30
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    表  2  隧道管片的相应参数

    Table  2.   Corresponding parameters of the tunnel segments

    杨氏模量/GPa 泊松比 密度/kg·m-3 外径/m 厚度/m
    35.5 0.2 2600 6.2 0.35
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    表  3  近场地震记录加速度幅值

    Table  3.   Acceleration amplitudes of the near-field seismic records

    近场地震记录 水平向加速度峰值/g 竖直向加速度峰值/g 竖直/水平 Arias intensity/m·s-1
    Loma 0.2 0.106 0.53 0.32
    ChiChi 0.2 0.132 0.66 0.88
    Mammoth 0.2 0.056 0.28 0.09
    WoLong 0.2 0.200 1.00 0.54
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-27
  • 网络出版日期:  2021-04-07
  • 刊出日期:  2020-12-01

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