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基于数值模拟的隧道 - 土 - 地上结构耦合体系地震响应参数分析
Glenda Abate bull; Maria Rossella Massimino 卡塔尼亚大学土木工程与建筑系
摘要 :在地震过程中，隧道的存在可能会影响地震波在土体中的传播，进而影响地上结构的响应。同时，地上结构的振动可能会与隧道产生复杂的相互作用，因此它们可能会改变隧道的动态响应。 大多数已发表论文仅考虑隧道 - 土体系统或仅考虑土体 - 地面结构; 隧道加土体加地上结构（全耦合分析）的分析仍然非常少见。本文从卡塔尼亚(意大利)地下网络的实际历史出发，特别是包括地上建筑物、隧道深度、地上建筑物位置和地震输入在内的断面，对其进行了参数化分析，研究了它们对隧道-土-地上建筑物动力相互作用的影响。采用了三十个不同的记录加速度图。本文从时域、频域、地震弯矩和隧道衬砌轴向力等方面对计算结果进行了分析。
关键词 :隧道深度，建筑距离，等效线性粘弹性本构模型，时域和频域，加速度，隧道衬砌力
符号表
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a |
加速度 |
t |
时间 |
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D |
阻尼比 |
M |
动态弯矩 |
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DS |
土体阻尼比 |
N |
动态轴向力 |
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Dl |
衬砌阻尼比 |
Ra |
放大率 |
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De |
震中距 |
Ra,av |
放大倍数平均值 |
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土体弹性模量 |
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隧道最大剪应变 |
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Es0 |
小应变下的土弹性模量 |
Tb |
建筑物卓越周期 |
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Eb |
建筑弹性模量 |
Ts |
土体卓越周期 |
||
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El |
衬砌弹性模量 |
u2 |
水平轴 |
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F |
灵活度 |
u3 |
垂直轴 |
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f 1 |
输入的第一个基本频率 |
Vs |
剪切波速 |
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f 2 |
输入的第二个基本频率 |
z |
垂直深度 |
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fm |
输入的平均基本频率 |
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第一瑞雷阻尼因子 |
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fs |
系统固有频率 |
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第二瑞雷阻尼因子 |
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f1s |
系统的第一自然频率 |
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建筑物垂直轴线与隧道垂直轴线的距离 |
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f2s |
系统的第二自然频率 |
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隧道中心角 |
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f3s |
系统的第三自然频率 |
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垂直于被调查平面的轴线周围的网格节点的旋转角 |
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Gs |
土的剪切模量 |
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土的泊松比 |
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Gs0 |
小应变土的剪切模量 |
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建筑的泊松比 |
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h |
隧道埋深 |
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衬砌的泊松比 |
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角频率 |
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1简介
从历史上看，地下结构的破坏率比地上结构低（Kawashima,2000）。 尽管如此，最近的研究已经记录了由地震事件引起的地下结构遭受的重大损害（Power等，1998;Hashash等，2001; Wang等2001, 2009;Kontoe等2008;Gazetas，2014）。 在地震过程中，地上结构的振动可能与隧道产生复杂的相互作用，因此它们可能会影响地震波的传播（Lee and Karl，1992; De Barros and Loco，1993）。 因此，它们可能会改变隧道的动力响应，与此同时，地下结构基础附近浅层隧道的存在可能会改变地上结构的响应。 大多数发表的论文仅考虑隧道 - 土体系统(St. John and Zahrah1987;AFPS / AFTES，2001;Hashash等,2005;Anastasopoulos等2007, 2008;Anastasopoulos and Gazetas，2010; FHWA 2009;Lanzano等2012），而少数考虑隧道 - 土 - 地上结构(Luco and De Barros，1994;Kouretzis等，2007; Smerzini等。2009; Wang等，2013).
本文讨论了一个涉及全耦合隧道 - 土 - 地上结构体系的参数分析。从卡塔尼亚(意大利)地下网络的历史出发，对隧道深度、地上建筑物的位置和地震输入进行了修改，以研究其对隧道-土-地面建筑物相互作用的影响。该断面包括地上建筑物(Abate和Massimino，2016)。采用了三十个不同的记录加速度图。
地震波在隧道上施加不同类型的变形，例如：轴向拉伸或压缩、 纵向弯曲、横断面前切变形。 在地震荷载作用下对隧道衬砌影响最大的部件是横断面剪切变形（Hashash等，2005;Pitilakis等，2014）。 为此，本文对隧道横向进行了二维有限元分析。所有材料均采用各向同性粘弹性-弹性-线性行为，但为了考虑土体的非线性，根据EC8（2003)考虑了剪切模量和阻尼比随应变-应力水平的变化，即随输入加速度的变化。
从加速度时程、放大比、傅里叶振幅谱和放大函数等方面报道了结果。 还计算了在隧道中作用的弯矩和轴向力，并与使用Wang（1993）和Penzien（2000）提出的封闭形式解进行了比较。本文着重阐述了完整的全耦合分析的重要性，进而分析了输入频率、隧道深度、建筑物位置对隧道-土-地面结构体系地震反应的影响。
2隧道-土-地上结构体系研究
被调查的系统是在阿巴特和马西米洛的历史案例(2016）。 本系统的主要特点也在本文中报告，以便于阅读本文。 考虑卡塔尼亚（意大利）地下的一个横断面; 它涉及一个全耦合的隧道 - 土 - 地上结构体系。
隧道宽11米，高7.2米，有马蹄形剖面; 其具体部分如图1所示。 它在地面以下18米。 它是钢筋混凝土结构，其杨氏模量El= 28,500MPa，泊松比= 0.2，阻尼比Dl= 5％。
分析剖面的土壤剖面具有以下地层特征（图1）：垫层(RL Ret)，粉质粘土（ALg）和粘土（Aa）。 子岩类型ALg和Aa属于PSa岩石型。 对于这种岩型，非常小的应变下的杨氏模量在前10 m时ES0等于300 MPa，然后它从300线性增加到1700 MPa。 因此，根据意大利技术规范NTC（2008），土体可以分类为C型。
图1：隧道 - 土 - 地上结构体系
根据梅里特等人（1985），考虑到马蹄隧道段的平均半径，土对隧道的相对柔度为F = 0.9; 因此隧道比周围土体更硬，即结构变形水平将小于自由场变形水平（刚性隧道）。
在分析的部分，有一栋建筑物，如图1所示。 它由钢筋混凝土制成（E b = 28,500 MPa,= 0.2, = 25 kN/m 3 ; D b = 5 %;常用值）。 它有10米宽，在调查方向上有两个相等的跨度; 它有四个层次，两层之间的空间等于3米， 它的基础很浅。 在有限元分析中考虑了调查方向的典型二维框架结构。为了简单起见，这座建筑被假定静止在地面上。
所考虑的土层宽度为150 m，以尽可能避免隧道和地上结构的有限元模拟边界效应（参见第3节）; 土壤沉积物的高度来源于岩土工程调查，根据这种调查，在38米深处发现了基岩（Abate and Massimino2016).
实际上考虑了两个隧道深度h：第一个隧道深度（h = 18 m）和第二个隧道深度（h= 12 m）。 同样考虑建筑物垂直轴线和隧道垂直轴线之间的两个距离：第一个（ = 0m）和第二个（ = 20m）。 因此建立了四种模型（图2）。 第一个模型（命名模型1）是指在阿巴特和马西米诺中讨论的历史案例（2016）。分别对隧道深度和建筑物位置对隧道的影响进行了分析。假设的尺寸不足以进行全面的参数研究；然而，它们允许我们对隧道-土-地上结构的全耦合动力特性进行一些重要的考虑。
图2：采用的四种模型，包括边界和地震荷载条件，以及杨氏模量随深度的变化（对应不同的网格颜色）和在隧道垂直轴线上的检查点A、B、C、D；沿着建筑垂直轴线的检查点A， 、 B， 、C ，、D ，；建筑垂直轴线距隧道垂直轴线20米远。
在已建立的四种模型的基础上，采用了三十种不同的加速度图（表1; 图3）。在这种情况下，所有加速度图都缩放到PHA = 0.1 g。 一般来说，参数研究实际上并不是一个 “真实”的情况，因此，作者建议考虑一个较低的最大输入加速度，其中粘弹性线性本构模型更为合适。 PHA越低，变形水平越低，应变水平越低，使用粘弹性 - 线性本构模型就越合适。 之后，其他范围的加速度可以与在阿巴特和马西米洛报道的案例史（2016）研究相比较。
所有输入的基本频率的平均值fm按照Rathje等人的方法计算 （ 1998 ）。 然后将输入值细分为两组：第一组的特点是fs/fmlt;=0.4；第二组的特点是fs/fmgt;=0.4，其中fs是整个系统的固有频率。系统第一固有频率f1s，第二固有频率f2s，第三固有频率f3s，通过ADINA软件进行模态分析评价(Bathe 1996; ADINA 2008)，图2考虑了前三个重要的振动模式的所有四个有限元模型。 特别地，模型3与模型1具有相同的自然频率（f 1s＝0.83，f2s＝1.26，f3s＝2.20），而模型4
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