山嶺隧道性能化抗震設計理論與方法 節選

第1章 緒論 1.1 引言 近些年，地球已進入地震活躍期。自2008年5月12日發生汶川大地震以來，全世界各地陸續發生多起特大地震。例如，2010年1月4日在所羅門群島發生7.2級地震，2010年1月13日在海地發生7.3級地震，2010年2月27日在智利發生8.8級地震，2010年3月6日在蘇門答臘發生7.1級地震，2010年4月14日在我國青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發生7.1級地震，2011年3月11日在日本東北部海域發生9.0級地震，2013年4月20日在我國四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震，2014年2月12日在我國新疆維吾爾自治區于田縣發生7.3級地震，2015年4月25日在尼泊爾加德滿都發生8.1級地震，2016年10月17日在我國青海省玉樹藏族自治州雜多縣發生6.2級地震，2017年8月8日在我國四川省阿壩州九寨溝縣發生7.0級地震，2018年2月6日在我國臺灣省花蓮縣發生6.5級地震。 我國處于世界兩大地震帶即環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，是一個強震多發國家。我國的地震特點是發生頻率高、強度大、分布范圍廣、傷亡大、震災嚴重。據不完全統計，1995～2018年我國發生的6級及以上的地震如表1.1所示。 表1.1 1995～2018年我國發生的6級及以上地震簡況表 由表1.1可以看出，1995年以來，我國大約平均每3年發生至少兩次7級以上地震。經過統計，在這些破壞性的地震中，發生在山區的地震占到半數以上，且以汶川地震災害表現*為嚴重。 一般認為，與地表結構和城市地鐵相比，山嶺隧道由于埋深較大，地震動放大效應沒有或很小，因此山嶺隧道具有較好的抗震性能。然而，1995年日本發生的兵庫地震(M7.2)中，極震區內約有30座山嶺隧道遭受破壞，其中10座隧道需要震后修復。1999年我國臺灣集集地震造成54座山嶺隧道受損，嚴重和中等破壞隧道占比均為25%。在5? ?12汶川地震中，交通基礎設施遭受嚴重破壞，多座山嶺隧道受損。都汶高速公路沿線的龍溪隧道受損*為嚴重，素混凝土襯砌出現開裂、剝落以及大面積垮塌等破壞(大面積垮塌近?200m)；鋼筋混凝土襯砌出現了混凝土保護層剝落、鋼筋屈曲外露等破壞。隧道破壞多發生于洞口淺埋段、洞身軟弱圍巖、巖性過渡地段及斷層破碎帶等不良地質體段和施工過程中曾出現坍方的地段，特別是發震斷層附近的龍溪、紫坪鋪、龍洞子、燒火坪隧道，破壞十分嚴重，無法正常通行，整條道路不僅會因此陷入癱瘓，其后期維修性及加固后的耐久性均較差，所造成的經濟損失巨大。因此，開展山嶺隧道抗震減震研究具有重要意義。 目前，雖然人們對山嶺隧道的抗震或減震做了一些研究，但我國關于隧道的抗震設計依然采用的是傳統的慣性力法。一般公路隧道的抗震設計及抗震措施均按《公路工程抗震規范》(JTG B02—2013)進行，即隧道的地震作用按照靜力法計算，地震荷載只與結構的重力和土的重力組合。顯然這種做法會使人們想到通過增大襯砌結構的剛度來抵抗地震力，而這一思路是否合理還值得商討。因此，開展山嶺隧道地震災變機理和性能化理論研究具有重要的實際意義與理論價值。 1.2 國內外研究現狀 世界上*早出現的結構抗震設計規范為1920年日本《市街地建筑物法》和1927年美國的《美國統一建筑規范》[1]。結構抗震設計方法經歷了基于承載力的靜力法和反應譜法、延性設計法、能力設計法、基于能量和損傷的設計法，以及正在發展的基于性能的抗震設計(performance-based seismic design)法幾個階段[2]。抗震設計理念也從*早的“一水準設防、一階段設計”發展到“兩/三水準設防，兩/三階段設計”，再發展到基于性能的抗震設計。近二十年來，建筑結構基于性能的抗震設計方法正在不斷發展和完善，部分成果已納入規范。 1.2.1 結構性能化抗震理論 地面結構的相關研究一直走在前列，地下結構相關研究也僅在近二十年開始起步[3]。美國、日本學者提出了基于性能的抗震設計思想[3-9]。由于用力(承載力)作為單獨的指標難以全面描述結構的非彈性性能和破損狀態，而用能量和損傷指標又難以實際應用，因此目前性能化抗震設計方法的研究主要用位移指標對結構抗震性能進行控制，稱為基于位移的抗震設計(displacement-based seismic design)方法。無論是基于性能還是基于位移，抗震設計的難點仍然是結構進入非彈性階段后性態的分析。在基于位移的抗震設計方法研究中，能力譜法由Freeman于1975年提出，后來研究人員對能力譜曲線和需求譜曲線的確定方法做了進一步的改進，使得該方法成為各國推進基于位移的抗震設計方法的一種主要方法[10]。隨著結構地震響應數值模擬技術的發展和計算機軟、硬件水平的提高，基于逐步增量動力分析(incremental dynamic analysis)的倒塌易損性分析方法(能力譜法的一種)[11]已用于結構抗地震倒塌能力的定量評價。美國聯邦應急管理局的FEMA P695報告中采用基于逐步增量動力分析的倒塌易損性分析方法，以結構在*大考慮地震(maximum consideration of earthquake)作用下的倒塌率為目標，對FEMA 445中定義的建筑結構抗震性能系數進行了驗證和調整[3]。 在國內，謝禮立、呂西林等[12，13]將基于性能的抗震設計思想引入建筑抗震設計當中，建立了能力譜與抗震能力指數的關系，采用定量指標評定建筑物在不同地震作用下的相對抗震能力，并獲得了定性的性能描述。葉列平等[14]應用基于逐步增量動力分析的倒塌易損性分析方法，定量評估了地面單自由度結構體系的抗地震倒塌能力，提出了結構抗地震倒塌能力譜的概念，并開發了THUFIBER系列程序，可以實現復雜鋼筋混凝土結構在地震作用下倒塌全過程的模擬。 1.2.2 城市大型地下結構抗震理論 20世紀50年代以前，建筑抗震研究主要基于大森房吉提出的靜力理論，對于地下結構并無特殊方法。60年代初，福季耶娃針對地下結構提出了基于彈性力學理論的擬靜力方法。60年代末，美國學者對地下結構抗震設計理念進行研究，指出地下結構的抗震性能主要體現在適應變形的延性上。70年代，日本學者提出了一系列簡化實用方法，如反應位移法和反應加速度法，使地下結構抗震設計在工程應用中得到了很大的發展[15，16]。80年代，美國學者Schukla采用擬靜力方法來考慮土體與地下結構的相互作用，并建立了相應的數學模型；St. John 基于波動理論，推導了地震波斜入射時隧道變形的計算方法。此后國內外學者又進行了系統的研究，提出了多種不同的地下結構抗震設計理論和實用分析方法[17，18]。 針對軌道交通地下車站和區間隧道，國內外學者開展了系統研究，初步建立了城市地下矩形框架結構抗震設計理論。具體而言，可以總結為以下幾項成果： (1) 完善和發展了能夠模擬復雜地下結構的時域整體分析方法，如構建數值模型的動力人工邊界方法、一致地震動和非一致地震動輸入方法、巖土體與結構及其界面的非線性本構模型、大變形災變模擬分析的高效算法。 (2) 城市地鐵車站地震破壞機理與抗震性能化設計和評價方法。通過原型觀測、模型試驗和數值分析，再現了典型地鐵車站地震災變全過程；揭示了淺埋地鐵車站結構地震破壞機理和失效模式；確定了典型車站框架結構*不利構件，并由此提出了車站結構的地震性能指標體系，建立了抗震性能化設計和評價方法；在此基礎上，針對其破壞機理，提出了多種減震措施。 (3) 城市地鐵車站模型試驗技術及試驗成果。以地鐵隧道和地下車站結構為研究背景，進行了可液化地基和軟土地基中地鐵地下車站與隧道結構振動臺模型試驗，揭示了可液化地基、軟土地基地下結構的地震損傷發展過程與破壞機理，發現了近、遠場強地震作用下地鐵區地下車站結構地震反應的空間效應、變形與破壞模式。在振動臺模型箱、新型數據采集手段、土體和結構相似材料等試驗技術方面取得了進步。此外，模型試驗也部分驗證了大量數值模型的適用性。 (4) 簡化的地下結構抗震分析實用方法。由于土-結構時域整體分析方法在分析模型、人工邊界和波動輸入等問題的處理較為復雜，對操作者的知識水平要求高，且計算工作量較大、耗時多，難以在一般的工程設計中大規模推廣。所以國內外推出了多種簡化的擬靜力地震響應分析方法，包括地下結構的Pushover分析法、橫向/縱向整體反應位移法、慣性力+反應位移法等。 由于地鐵車站等矩形結構與地面框架結構在結構形式上類同，相關抗震設計研究成果都借鑒了建筑結構抗震設計方法，部分成果已納入《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB 50909—2014)，建立了“三水平設防，兩階段設計”的抗震性能化設計方法。 1.2.3 隧道襯砌結構抗震理論 1995年日本阪神地震極大地推動了日本在隧道抗震領域的研究，其隧道抗震設計已經引入了“基于性能的抗震設計思想”，建立了5級結構性能水平，采用基于承載力和變形(位移)的抗震設計方法，實施“兩水準設防、兩階段設計”。日本抗震規范給出了明挖矩形隧道結構的性能與構件的損傷標準之間的關系。小泉淳?[8]應用性能化抗震設計建立了盾構隧道的抗震能力曲線，獲得了多級性能水平下的隧道性能控制指標。 何川等[19]參考日本盾構隧道抗震設計方法，對盾構隧道抗震計算方法進行了大量研究，在具體工程中應用了性能化抗震理論，研究隧道的動力響應特性，并對傳統擬靜力法上覆土柱計算高度進行了研究。劉晶波等[20]開展了擬靜力法的創新研究，其中借鑒地上結構抗震分析Pushover方法，提出了一種適用于地下結構抗震分析的Pushover方法，可以獲得地下結構完整的能力曲線，用于評價結構的抗震能力和評估更大地震作用下地下結構的抗震性能。董正方等[21]分別通過動力增量法和地下結構Pushover方法計算圓形盾構隧道地震響應，分析其變形特征，分別建立了以直徑變形率和傾斜度為整體變形性能指標的結構抗震能力曲線，并劃分了性能水平，給出了每級性能水平對應的指標限值。