基于反应位移法的隧道抗震分析优化模型#
 

摘要：本文针对地下结构抗震计算方法——反应位移法中的若干关键问题进行了研究，验证了现有场地参数计算方法的合理性，推导了土弹簧劲度系数计算公式并给出了考虑埋深影响的修正系数，根据土—结相互作用理论，提出了地震动位移和土体剪切荷载的施加方式。基于上述研究结果，采用考虑接头拉伸、剪切和弯曲性能的梁-弹簧模型，进行了不同场地土中的盾构隧道结构地震响应计算。针对盾构隧道地震响应特性，提出以管片应力、接头变形、抗弯承载力作为评价结构抗震性能指标，分析了指标状态与结构的耐久性、使用性、安全性的相互关系，对于进一步完善反应位移法、促进其在既有隧道抗震性能设计与评估中的应用具有一定的参考价值。
 

关键词：隧道抗震分析；反应位移法；模型优化；梁弹簧模型

0 引言
反应位移法（Response displace method）[1-3]又称反应变位法、响应位移法或响应变位法，是由日本学者从地震观测着手，于70 年代初提出的地下线状结构物抗震设计方法。其基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物，周边地基用弹簧来模拟，把地震时地基的位移当作已知条件作用在地基弹簧的非结构连接端上，以求解在梁上产生的应力和变形，从而推算得到地下结构的地震反应。由于这种方法隐含认为地下结构在地震时的响应主要取决于周围地层的变形而不是结构惯性力（如，地面建筑结构），因此较为真实的反映了地震作用下地下结构的受力特性，因此在日本的众多规范中得到了广泛的应用。例如，石油管线技术基准，沉管法隧道抗震设计指针（草案），天然气导管抗震设计指针，共同沟设计指针[4]，停车场设计和施工指针[5]，隧道标准示方书[6]，给水设施抗震工法指针等都采用了反应位移法进行地下结构的抗震设计。

但采用传统反应位移法往往是将隧道简化为均质圆环，这样做虽然能够近似得到结构的内力分布，但却无法了解接头的变形情况，无法考虑盾构隧道环向接缝、纵向接缝以及错缝拼装的效果。并且由于忽略了接头构件，从而不能真实反映隧道结构变形。而隧道震害现象表明，隧道接头部位往往是盾构隧道的薄弱环节，接头变形如隧道接头的转角、环缝和纵缝张开量等是考察结构抗震性能的重要指标。接缝张开量过大，直接导致泥沙流入、增加隧道周围水压力，破坏周边地质环境，从而威胁到隧道的稳定性。同时，隧道内渗漏水的增加，也会加重隧道内环境湿度，不宜于人员工作和设备运营。这些指标对于全面评估隧道结构在震中和震后的使用性、安全性占有重要地位。

鉴于此，本文基于反应位移法，介绍了一种优化的梁—弹簧模型，提出了结构纵向和横向模型中接头的模拟方法，将接头的抗拉伸、抗剪和抗弯性能以解析的形式表达，能够较好地模拟隧道在地震作用下的结构响应。

4 结论
本文基于反应位移法原理，通过分别对传统模型和梁—弹簧模型进行盾构隧道纵向和横向抗震的对比分析，得出以下结论：
（1）隧道纵向抗震分析表明，由于采用强制位移的方式施加土层变形，两种模型中隧道结构最终产生的沿纵向挠曲变形基本相同。但由于引入了转动弹簧模拟接头特性，隧道整
体刚度下降，地震内力较传统模型大幅减小，两者相差约6 倍；
（2）隧道横向抗震分析表明，采用梁—弹簧模型计算得到的地震内力较传统模型大幅减小，两者内力相差约3～5 倍，断面最大直径变化率相差约3 倍；
（3）盾构隧道抗震设计可采用传统模型与梁—弹簧模型综合进行分析，从安全与经济角度综合考虑并设计。建议按照传统模型计算结果为上限进行内力抗震计算，而按照梁—弹簧模型进行变形验算。

[参考文献] (References)
[1] Kawashima K. Seismic analysis of underground structures[J]. Journal of Disaster Research, 2006, 1(3):378-389.
[2] Yonglai Zheng, Linde Yang, Wenyi Li.Seismic Design of underground structures[M]. Shanghai: Tongji University Press, 2005.
[3] Xiang Yu, Qiliang Chen, Yuetang Zhao. The status quo and methods of antiseismic research of underground
structure[J]. Journal of PLA University of Seience and Technology, 2000, 1(5): 63-69.
[4] Japan Road Association. Design manual for common ducts[S]. Tokyo: Maruzen, 1986.
[5] Japan Road Association. Design and construction manul for parking lot(commentary) [S]. Tokyo: Maruzen,1992.
[6] Japan Society of Civil Engineers. Standard for sheild tunnels (commentary) [S]. Tokyo: Maruzen, 1986.