隧道洞口段結構地震響應分析

蘇 惠,賈 良,嚴松宏,張巧慧

(1.陜西鐵路工程職業技術學院 鐵道工程系,陜西 渭南714000;2.蘭州交通大學土木工程學院,甘肅蘭州730070)

隧道的進出口是隧道唯一的暴露部分,是整個隧道抗震設防的薄弱環節。隧道洞口所處的地質條件,多為嚴重風化的堆積體,覆蓋層較薄,容易造成山體失穩,產生滑動和坍塌。大量的地震災害表明,地震對淺埋隧道、偏壓隧道、明洞及洞門的影響較大。在地形、地質條件不利的地段,當發生強烈地震時,常由于滑坡、地表開裂、斷層位移等造成洞口堵塞、洞門開裂、襯砌變形等不同程度的破壞[1]。因此,在隧道和隧道洞口位置選擇及具體設計時,應考慮地震烈度、地形和地質條件,特別是地形陡峻的不良地質對隧道的影響。

本文運用結構動力分析計算方法和ANSYS軟件中瞬態動力分析[2]的功能,研究了地震荷載作用下圍巖材料的漸變對隧道洞口段抗震性能的影響。

1 計算方法

采用Newmark隱式積分預估修正算法求解運動平衡方程[3]。有限元體系在t+Δ t時刻的運動平衡方程為

式中:M為體系的總質量矩陣;C為體系的總阻尼矩陣;K為體系的總剛度矩陣;+Δt為體系的節點加速度向量;+Δt為體系的節點速度向量;ut+Δt為體系的節點位移向量;Ft+Δt為外荷載向量為單元應變矩陣;為單元應力向量。

Newmark方法采用下列假設:式中:δ、γ為積分常數,分別取為0.5、0.25。Newmark隱式積分法是無條件穩定的。

體系的總阻尼矩陣采用瑞利阻尼式中:α、β為常數,可分別按兩種不同的振動頻率下測得的阻尼比ξ加以確定[4]。……