超長沉管隧道抗震設(shè)計與分析中的關(guān)鍵問題

超長沉管隧道抗震設(shè)計與分析中的關(guān)鍵問題

該沉降管隧道具有較強(qiáng)的地質(zhì)和水文條件適應(yīng)性，可以簡單地埋在地下，并與兩岸道路的連接坡度較小。廣泛應(yīng)用于城市地下建筑物中，通常適用于一般軟弱層。地震負(fù)荷的作用會影響沉管基底土的穩(wěn)定性。如果它受到破壞，就會產(chǎn)生意想不到的結(jié)果，并且很難修復(fù)。因此，研究沉沒管隧道的抗疲勞動性能非常重要。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對沉管隧道抗震性能進(jìn)行了大量研究.例如:Klyomlya總結(jié)了日本近年來所建沉管隧道的抗震設(shè)計情況,并建議采用柔性沉管隧道接頭;Anastasopoulos等采用梁與彈簧模型對深水條件下沉管隧道的非線性抗震性能進(jìn)行了分析;Lyngs采用不同計算模式對沉管隧道的抗震精度進(jìn)行了對比分析;嚴(yán)松宏等采用多質(zhì)點與彈簧模型對南京沉管隧道的縱向抗震性能進(jìn)行了分析;韓大建等結(jié)合廣州某水下沉管隧道提出了等效質(zhì)點系模型,并分別采用動力時程法(等效質(zhì)點與彈簧模型)和行波法對珠江沉管隧道的抗震性能進(jìn)行分析;Ding等提出了基于顯式有限元和高性能計算的大規(guī)模數(shù)值模擬方法,建立了包括地基土體、沉管隧道以及柔性接頭在內(nèi)的全三維分析模型,但其計算量較大,不適用于超長沉管隧道.港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域,是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市和澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道,已列入國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要交通建設(shè)項目.港珠澳大橋海中隧道主體工程自港粵分界線起,全長約29.600km,采用橋梁、隧道、人工島組合方式.其中,海底隧道采用沉管隧道,全長6.753km,是目前世界上最長的沉管隧道.該隧道采用節(jié)段式管節(jié),且具有管節(jié)長、水的深度和管頂回淤厚度大、地基軟弱且不均勻等特點.目前,對其抗震性及經(jīng)濟(jì)性的研究還不多見.1土體剛度和阻尼系數(shù)的確定目前,考慮地下結(jié)構(gòu)與土體相互作用的動力計算方法可分為整體動力分析法和擬靜力法.整體動力分析法考慮的因素較為全面,但計算量較大且對于模型的處理比較復(fù)雜;而擬靜力法中的反應(yīng)位移法能夠反映隧道結(jié)構(gòu)的變形特性,是一種快速的簡化計算方法,但其與隧道整體動力有限元方法的計算結(jié)果有較大差異.其原因在于土層彈簧剛度的取值存在不確定性,且地震荷載的設(shè)定方法不統(tǒng)一.因此,還沒有一種快速、實用的沉管隧道抗震設(shè)計和分析方法.土體剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的確定是建立土體動力快速計算方法的關(guān)鍵;而以往的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)表達(dá)式過于簡單,不能體現(xiàn)土體的動力特性.實際上,土體動力參數(shù)與外部激勵荷載的頻率有關(guān),確定土體剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的頻域表達(dá)式,采用理地震荷載的設(shè)定,是頗具研究價值的一個方面.2多點非一致輸入研究表明,當(dāng)結(jié)構(gòu)的長度達(dá)到或超過地震波長的1/4時,結(jié)構(gòu)的所有地面節(jié)點呈現(xiàn)出非一致運動特征,而必須考慮不同地面節(jié)點之間的運動相位差,即行波效應(yīng);同時,由于隧道沿線的地形地質(zhì)條件發(fā)生了復(fù)雜變化,隧道本身也出現(xiàn)了高低起伏,地震波在隧道縱向引起的振動也存在差異,因此,迫切需要開展對非一致地震激勵下超長沉管隧道的地震響應(yīng)研究.非一致地震地面運動的輸入分為2類,即實際非一致地震地面運動時程記錄群和人工產(chǎn)生的時程記錄群.前者除了需要記錄在相同的強(qiáng)震震級、震中距和震波傳播路徑上的土層結(jié)構(gòu)和性質(zhì),以及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相同的場地土類別之外,還需要記錄間距接近于結(jié)構(gòu)尺度的強(qiáng)震臺站陣列(密集臺陣).但滿足這些要求的記錄幾乎沒有,從而導(dǎo)致非一致地震響應(yīng)研究不能使用實際的非一致地震地面運動記錄群.因而,如何有效地模擬地震波在介質(zhì)中的傳播、建立合理的輸入地震動空間變化模型,是解決多點非一致輸入的關(guān)鍵.港珠澳大橋沉管隧道采用節(jié)段式管節(jié)設(shè)計,其單個管節(jié)較長(最長180m).為了便于澆鑄,將每個管節(jié)劃分為若干個節(jié)段,節(jié)段之間采用預(yù)應(yīng)力拉索固定.這種節(jié)段式管節(jié)與傳統(tǒng)的整體式管節(jié)在非一致地震激勵作用下的縱向抗震性能差別較大;同時,管節(jié)接頭的動力性能以及季節(jié)變化等因素對隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響很大.因此,建立能夠模擬多點非一致地震激勵下,超長沉管隧道地震響應(yīng)過程的動力學(xué)分析模型,已成為快速分析方法亟待解決的技術(shù)難點.此外,超長沉管隧道多點地震響應(yīng)分析模型的計算規(guī)模巨大,提出高效的計算方法,是實現(xiàn)多點非一致地震激勵下超長沉管隧道地震響應(yīng)分析、探討其地震響應(yīng)機(jī)制的另一技術(shù)難點.3沉管隧道接頭力學(xué)性能模型分析地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)主要受到周邊巖體介質(zhì)相對變形的影響.針對隧道及地下工程減震問題的研究起步較晚,在20世紀(jì)60~70年代以前,地下結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計基本是沿用地面結(jié)構(gòu)減震設(shè)計方法;到20世紀(jì)70年代后期,地下結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計才開始在日本的水道、沉埋隧道以及核電廠等減震設(shè)計規(guī)范中逐步得到了體現(xiàn).近年來,隨著地下結(jié)構(gòu)數(shù)量的增多和震害的頻繁發(fā)生,其抗震減震問題日益受到重視.沉管接頭是沉管管段之間的連接構(gòu)件,其剛度比正常管段小得多,但整個沉管隧道的變形都集中在接頭部位,所以,接頭成為沉管隧道中最薄弱且非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),同時,也是制約沉管隧道減震控制的關(guān)鍵.表征沉管隧道接頭性能的重要參數(shù)是接頭抗彎剛度,其取值是通過經(jīng)驗估計或建立三維數(shù)值模型計算而得.一方面,經(jīng)驗估計的方法缺乏理論依據(jù);另一方面,所建三維數(shù)值模型取決于計算參數(shù)的選取,而且由于沉管隧道接頭構(gòu)造復(fù)雜,精確反映接頭的力學(xué)性能需要建立龐大的三維精細(xì)化模型而費時費力,同時,由于沉管隧道接頭抗彎剛度隨彎矩和軸力而變化,因而還需考慮其偏心距的影響.因此,建立合理反映沉管隧道接頭力學(xué)性能的模型及其解析表達(dá)式,是指導(dǎo)沉管隧道減震控制的理論基礎(chǔ).研究表明,構(gòu)件耐久性低和局部應(yīng)力集中,是導(dǎo)致沉管隧道接頭結(jié)構(gòu)破壞的主要原因,而GINA橡膠止水帶失效所產(chǎn)生的滲漏是導(dǎo)致接頭止水失效的主要原因.因此,用于評估接頭極限承載力和極限張開量等抗震性能參數(shù)的方法是沉管隧道減震控制的技術(shù)難點;另外,通過沉管隧道接頭力學(xué)試驗來準(zhǔn)確描述接頭在往復(fù)荷載作用下的力與位移關(guān)系及沉管隧道接頭的滯回關(guān)系,是檢驗接頭在地震荷載作用下的減震效果的前提,也是評估接頭極限承載力與極限張開量的基礎(chǔ).4基于狀態(tài)特征的地下綜合管廊系統(tǒng)非一致性地震激勵的研究技術(shù)難點由于還不能夠?qū)Φ叵陆Y(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進(jìn)行全面而真實地解釋和模擬,且缺少相應(yīng)的文獻(xiàn)資料作為依據(jù)加以驗證,因此,模型試驗則顯得尤為重要,應(yīng)該通過模型試驗結(jié)果來部分或定性解釋其物理機(jī)制、推斷變化過程、總結(jié)特性規(guī)律和分析災(zāi)變后果,從而驗證理論和數(shù)值分析結(jié)果的正確性.近年來,國內(nèi)外學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗進(jìn)行了研究.例如:楊林德等對上海市典型兩層三跨地鐵車站進(jìn)行了振動臺模型試驗研究,模型箱采用剛性邊界,并采用重力失真模型進(jìn)行相似比設(shè)計;陳國興等對淺埋于可液化南京細(xì)砂地基的地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動臺試驗,研制了柔性邊界的剪切模型箱,分析了模型地基的加速度和振動孔隙水壓力的變化規(guī)律;姜忻良等以天津站交通樞紐工程為背景,研究了結(jié)構(gòu)與土體在地震荷載作用下的動力特性及地震響應(yīng)特征;Chen等進(jìn)行了地下綜合管廊的非一致地震激勵試驗,設(shè)計了一種能夠適當(dāng)消除邊界效應(yīng)的剪切模型箱,并滿足模型結(jié)構(gòu)的穿越以及分別在水平縱向和水平橫向激振的需要.總體而言,地下結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗除了需考慮一般地面結(jié)構(gòu)試驗涉及的難題外,還須考慮與其自身特點有關(guān)的難題,主要包括以下幾個亟待解決的難題.(1)離散多點地震動輸入方式的設(shè)計.同濟(jì)大學(xué)多功能振動試驗中心的振動臺模型試驗裝置具有4個獨立的振動臺面,與橋梁不同,隧道結(jié)構(gòu)埋置于土層且沿縱向呈連續(xù)分布,地震動輸入方式為連續(xù)多點非一致激勵,這與離散多點的振動臺試驗設(shè)備相反.因而,在多點非一致地震激勵的作用下,超長沉管隧道振動臺試驗的技術(shù)難點是如何確定合理的離散多點地震動輸入方式,以近似模擬實際的連續(xù)多點的非一致地震激勵作用.(2)相似理論設(shè)計.在沉管隧道的模型試驗中,相似比問題包括隧道結(jié)構(gòu)模型與結(jié)構(gòu)原型、場地土體模型與結(jié)構(gòu)原型以及隧道結(jié)構(gòu)模型與場地土體模型相互作用的動力的相似.通常,振動臺模型相似理論設(shè)計基于Bockingham-π定理(量綱分析法),以幾何、密度和彈性模量的相似比為基本已知量,根據(jù)量綱分析確定其余未知量的相似比例關(guān)系.但由于土體的復(fù)雜性和特殊性,不可能使得所有條件都滿足相似比例關(guān)系.因此,應(yīng)選擇合理表述土體、結(jié)構(gòu)原型與模型的相似,以及土體與結(jié)構(gòu)相互作用的動力相似的關(guān)鍵變量;而對一些非關(guān)鍵性變量的相似比例允許失真,是實現(xiàn)超長沉管隧道振動臺模型試驗相似理論設(shè)計的有效途徑.(3)模型箱設(shè)計.沉管隧道模型箱的設(shè)計目標(biāo)為:結(jié)構(gòu)牢固,以免箱體在激振過程中失穩(wěn)而破壞;邊界條件明確,力求使模型中土體與邊界面的接觸條件能夠模擬結(jié)構(gòu)原型和場地土體的地震響應(yīng)特征;模型的土體數(shù)量適度,以避免整個試驗系統(tǒng)的重量超出振動臺的最大承載能力;避免模型箱與模型中土體因自振頻率相近而發(fā)生共振.為了實現(xiàn)以上目標(biāo),需要對模型箱的邊界、幾何尺寸和剛度進(jìn)行綜合分析,以確定合理的模型箱設(shè)計方案.此外,如何將4個振動臺的離散輸入通過模型箱傳遞而近似為連續(xù)的非一致輸入,以模擬隧道在非一致地震激勵下的地震響應(yīng),是振動臺模型試驗需要攻克的另一技術(shù)難題.除此以外,根據(jù)實際工程的特點,在進(jìn)行振動臺模型試驗方案設(shè)計時,還需要考慮基槽的大斷面放坡開挖、不同基礎(chǔ)的處理方式以及隧道頂部全