超长沉管隧道抗震设计与分析中的关键问题

超长沉管隧道抗震设计与分析中的关键问题

该沉降管隧道具有较强的地质和水文条件适应性，可以简单地埋在地下，并与两岸道路的连接坡度较小。广泛应用于城市地下建筑物中，通常适用于一般软弱层。地震负荷的作用会影响沉管基底土的稳定性。如果它受到破坏，就会产生意想不到的结果，并且很难修复。因此，研究沉没管隧道的抗疲劳动性能非常重要。近年来,国内外学者对沉管隧道抗震性能进行了大量研究.例如:Klyomlya总结了日本近年来所建沉管隧道的抗震设计情况,并建议采用柔性沉管隧道接头;Anastasopoulos等采用梁与弹簧模型对深水条件下沉管隧道的非线性抗震性能进行了分析;Lyngs采用不同计算模式对沉管隧道的抗震精度进行了对比分析;严松宏等采用多质点与弹簧模型对南京沉管隧道的纵向抗震性能进行了分析;韩大建等结合广州某水下沉管隧道提出了等效质点系模型,并分别采用动力时程法(等效质点与弹簧模型)和行波法对珠江沉管隧道的抗震性能进行分析;Ding等提出了基于显式有限元和高性能计算的大规模数值模拟方法,建立了包括地基土体、沉管隧道以及柔性接头在内的全三维分析模型,但其计算量较大,不适用于超长沉管隧道.港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域,是连接香港特别行政区、广东省珠海市和澳门特别行政区的大型跨海通道,已列入国家高速公路网规划的重要交通建设项目.港珠澳大桥海中隧道主体工程自港粤分界线起,全长约29.600km,采用桥梁、隧道、人工岛组合方式.其中,海底隧道采用沉管隧道,全长6.753km,是目前世界上最长的沉管隧道.该隧道采用节段式管节,且具有管节长、水的深度和管顶回淤厚度大、地基软弱且不均匀等特点.目前,对其抗震性及经济性的研究还不多见.1土体刚度和阻尼系数的确定目前,考虑地下结构与土体相互作用的动力计算方法可分为整体动力分析法和拟静力法.整体动力分析法考虑的因素较为全面,但计算量较大且对于模型的处理比较复杂;而拟静力法中的反应位移法能够反映隧道结构的变形特性,是一种快速的简化计算方法,但其与隧道整体动力有限元方法的计算结果有较大差异.其原因在于土层弹簧刚度的取值存在不确定性,且地震荷载的设定方法不统一.因此,还没有一种快速、实用的沉管隧道抗震设计和分析方法.土体刚度系数和阻尼系数的确定是建立土体动力快速计算方法的关键;而以往的刚度系数和阻尼系数表达式过于简单,不能体现土体的动力特性.实际上,土体动力参数与外部激励荷载的频率有关,确定土体刚度系数和阻尼系数的频域表达式,采用理地震荷载的设定,是颇具研究价值的一个方面.2多点非一致输入研究表明,当结构的长度达到或超过地震波长的1/4时,结构的所有地面节点呈现出非一致运动特征,而必须考虑不同地面节点之间的运动相位差,即行波效应;同时,由于隧道沿线的地形地质条件发生了复杂变化,隧道本身也出现了高低起伏,地震波在隧道纵向引起的振动也存在差异,因此,迫切需要开展对非一致地震激励下超长沉管隧道的地震响应研究.非一致地震地面运动的输入分为2类,即实际非一致地震地面运动时程记录群和人工产生的时程记录群.前者除了需要记录在相同的强震震级、震中距和震波传播路径上的土层结构和性质,以及结构基础相同的场地土类别之外,还需要记录间距接近于结构尺度的强震台站阵列(密集台阵).但满足这些要求的记录几乎没有,从而导致非一致地震响应研究不能使用实际的非一致地震地面运动记录群.因而,如何有效地模拟地震波在介质中的传播、建立合理的输入地震动空间变化模型,是解决多点非一致输入的关键.港珠澳大桥沉管隧道采用节段式管节设计,其单个管节较长(最长180m).为了便于浇铸,将每个管节划分为若干个节段,节段之间采用预应力拉索固定.这种节段式管节与传统的整体式管节在非一致地震激励作用下的纵向抗震性能差别较大;同时,管节接头的动力性能以及季节变化等因素对隧道结构的地震响应影响很大.因此,建立能够模拟多点非一致地震激励下,超长沉管隧道地震响应过程的动力学分析模型,已成为快速分析方法亟待解决的技术难点.此外,超长沉管隧道多点地震响应分析模型的计算规模巨大,提出高效的计算方法,是实现多点非一致地震激励下超长沉管隧道地震响应分析、探讨其地震响应机制的另一技术难点.3沉管隧道接头力学性能模型分析地下结构的地震响应主要受到周边岩体介质相对变形的影响.针对隧道及地下工程减震问题的研究起步较晚,在20世纪60~70年代以前,地下结构的减震设计基本是沿用地面结构减震设计方法;到20世纪70年代后期,地下结构的减震设计才开始在日本的水道、沉埋隧道以及核电厂等减震设计规范中逐步得到了体现.近年来,随着地下结构数量的增多和震害的频繁发生,其抗震减震问题日益受到重视.沉管接头是沉管管段之间的连接构件,其刚度比正常管段小得多,但整个沉管隧道的变形都集中在接头部位,所以,接头成为沉管隧道中最薄弱且非常关键的环节,同时,也是制约沉管隧道减震控制的关键.表征沉管隧道接头性能的重要参数是接头抗弯刚度,其取值是通过经验估计或建立三维数值模型计算而得.一方面,经验估计的方法缺乏理论依据;另一方面,所建三维数值模型取决于计算参数的选取,而且由于沉管隧道接头构造复杂,精确反映接头的力学性能需要建立庞大的三维精细化模型而费时费力,同时,由于沉管隧道接头抗弯刚度随弯矩和轴力而变化,因而还需考虑其偏心距的影响.因此,建立合理反映沉管隧道接头力学性能的模型及其解析表达式,是指导沉管隧道减震控制的理论基础.研究表明,构件耐久性低和局部应力集中,是导致沉管隧道接头结构破坏的主要原因,而GINA橡胶止水带失效所产生的渗漏是导致接头止水失效的主要原因.因此,用于评估接头极限承载力和极限张开量等抗震性能参数的方法是沉管隧道减震控制的技术难点;另外,通过沉管隧道接头力学试验来准确描述接头在往复荷载作用下的力与位移关系及沉管隧道接头的滞回关系,是检验接头在地震荷载作用下的减震效果的前提,也是评估接头极限承载力与极限张开量的基础.4基于状态特征的地下综合管廊系统非一致性地震激励的研究技术难点由于还不能够对地下结构动力响应进行全面而真实地解释和模拟,且缺少相应的文献资料作为依据加以验证,因此,模型试验则显得尤为重要,应该通过模型试验结果来部分或定性解释其物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果,从而验证理论和数值分析结果的正确性.近年来,国内外学者对地下结构振动台模型试验进行了研究.例如:杨林德等对上海市典型两层三跨地铁车站进行了振动台模型试验研究,模型箱采用刚性边界,并采用重力失真模型进行相似比设计;陈国兴等对浅埋于可液化南京细砂地基的地铁车站结构进行了振动台试验,研制了柔性边界的剪切模型箱,分析了模型地基的加速度和振动孔隙水压力的变化规律;姜忻良等以天津站交通枢纽工程为背景,研究了结构与土体在地震荷载作用下的动力特性及地震响应特征;Chen等进行了地下综合管廊的非一致地震激励试验,设计了一种能够适当消除边界效应的剪切模型箱,并满足模型结构的穿越以及分别在水平纵向和水平横向激振的需要.总体而言,地下结构振动台模型试验除了需考虑一般地面结构试验涉及的难题外,还须考虑与其自身特点有关的难题,主要包括以下几个亟待解决的难题.(1)离散多点地震动输入方式的设计.同济大学多功能振动试验中心的振动台模型试验装置具有4个独立的振动台面,与桥梁不同,隧道结构埋置于土层且沿纵向呈连续分布,地震动输入方式为连续多点非一致激励,这与离散多点的振动台试验设备相反.因而,在多点非一致地震激励的作用下,超长沉管隧道振动台试验的技术难点是如何确定合理的离散多点地震动输入方式,以近似模拟实际的连续多点的非一致地震激励作用.(2)相似理论设计.在沉管隧道的模型试验中,相似比问题包括隧道结构模型与结构原型、场地土体模型与结构原型以及隧道结构模型与场地土体模型相互作用的动力的相似.通常,振动台模型相似理论设计基于Bockingham-π定理(量纲分析法),以几何、密度和弹性模量的相似比为基本已知量,根据量纲分析确定其余未知量的相似比例关系.但由于土体的复杂性和特殊性,不可能使得所有条件都满足相似比例关系.因此,应选择合理表述土体、结构原型与模型的相似,以及土体与结构相互作用的动力相似的关键变量;而对一些非关键性变量的相似比例允许失真,是实现超长沉管隧道振动台模型试验相似理论设计的有效途径.(3)模型箱设计.沉管隧道模型箱的设计目标为:结构牢固,以免箱体在激振过程中失稳而破坏;边界条件明确,力求使模型中土体与边界面的接触条件能够模拟结构原型和场地土体的地震响应特征;模型的土体数量适度,以避免整个试验系统的重量超出振动台的最大承载能力;避免模型箱与模型中土体因自振频率相近而发生共振.为了实现以上目标,需要对模型箱的边界、几何尺寸和刚度进行综合分析,以确定合理的模型箱设计方案.此外,如何将4个振动台的离散输入通过模型箱传递而近似为连续的非一致输入,以模拟隧道在非一致地震激励下的地震响应,是振动台模型试验需要攻克的另一技术难题.除此以外,根据实际工程的特点,在进行振动台模型试验方案设计时,还需要考虑基槽的大断面放坡开挖、不同基础的处理方式以及隧道顶部全