不同加载面下隧道地震响应数值模拟

【摘 要】研究隧道在不同加载面下加载地震波时的地震响应情况，具有重要的工程意义。本文针对不同地震波、不同加载面下隧道的地震响应情况进行数值模拟计算，分析两者之间的差异，得出不同加载面情况下计算结果差别较大，隧道地震响应规律不尽相同。因而对不同的工况应采用不同的加载方法。

【关键词】隧道；地震响应分析；不同加载面；数值模拟

Numerical Simulation on the Tunnel Earthquake Response of Different Loading Surfaces

【Abstract】Analysis on the tunnel earthquake response of different loading surfaces is very useful for engineering . This paper discussed the tunnel earthquake response of different earthquake wave and different loading surfaces with numerical simulation method,anlysed the difference of them.In the end this paper got the conclusion was that the calculation results of different loading surfaces existed large disparities,and the law of the tunnel earthquake response is also different .So for different condition people should choose different loading method .

【Key words】Tunnel; Earthquake response analysis;Different loading surface; Numerical simulator

地下工程结构抗震理论是随着地面建筑抗震理论的发展而发展起来的。由于地下工程结构受地震影响的程度远小于地面建筑，有关该问题的研究起步较晚。但近年来的几次强烈地震后的地震灾害调查表明[1－4]，隧道、地铁等地下结构在地震过程中同样会受到破坏。随着我国西部大开发的进行，越来越多的公路、铁路隧洞在高烈度地区修建，如国道318线黄草坪2#隧道[4]。此类工程的地震稳定性是一个急需解决的课题。目前，有关隧道地震动力反应及抗、减震措施的研究已逐步引起相关学者重视，并取得一定成果[5－10]。但针对理论计算数值模拟过程中地震波的加载时，不同加载面对计算结果影响的研究工作则并不多。

本文采用ANSYS/LS-DYNA显式动力分析程序，对不同加载面下隧道的地震响应情况进行分析，研究不同加载面对隧道围岩响应的影响规律。

1 数值模拟

1.1 建立模型

LS-DYNA是由LSTC公司开发的功能齐全的非线性显式动力分析程序，能够模拟真实世界各种复杂问题，适合求解各种非线性结构的碰撞、爆炸和金属成型等动力冲击问题[11]，1996年与ANSYS公司合作推出了ANSYS/LS-DYNA。本文数值模拟即采用ANSYS/LS-DYNA计算分析。

相关研究表明，在埋深50m以内，地下结构的破坏率高达58%[12]，结合当前隧道的平均埋深，模型埋深取50m。模型尺寸为50×100×1m。隧道为圆形隧道，跨度6m。模型网格划分如图1所示。模型底面和前后左右四个侧面分别施加无反射边界条件。模型材料参数见表1。

图1 模型网格划分图

表1 岩石力学参数

1.2 地震波的选取及修正

本文采用1976年11月25日的宁河天津波地震记录（上下向），时长19.12s，时间间隔0.01s，选取其中加速度幅值最大的1s作为输入地震波。

根据中国地震烈度表[13]，基本烈度为7、8、9度时地面运动的最大水平加速度a分别为1.25、2.50、5.00m/s2。而实际地震记录的峰值最大加速度与之不符，必须对其进行修正。修正系数计算方法如下：

α=■

式中：α——地震波修正系数；

av——各烈度对应的地面运动的峰值水平加速度；

avmax——实际地震记录的峰值水平加速度。

计算地震烈度为7度，修正后的地震波加速度时程见图2。

图2 修正后的地震波加速度时程

2 隧道地震响应规律分析

地震波是从震源向外辐射的弹性波。地震波按传播方式分为三种：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5.5~7千米/秒，最先到达震中，又称P波，使地面发生上下振动。横波是剪切波，在地壳中传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，使地面发生前后、左右振动。本文针对纵波和横波进行分析研究。

图3 质点选取

对于地下结构而言，其所受到的地震波并不一定是由结构下方传来，因此本文考虑实际情况对不同加载面加载地震波进行分析。加载地震波时间为1s，计算时间3s。选取隧道顶部，底部和两帮质点为研究对象，如图3所示。

2.1 不同加载面纵波加载

选取模型的底面和侧面作为加载面，加载纵波计算得质点加速度如图4所示。

图4 底面（上）和侧面（下）加载时质点加速度时程

对比可得，在模型底面加载纵波时，隧道顶面的振动加速度最大，两帮的振动加速度近似相同，底部最小，但这四者之间差值非常小。最大峰值加速度为2.18m/s-2出现在0.06s。在模型侧面加载时，隧道左帮的质点振动加速度最小，右帮的质点振动加速度最大，而顶面和地面的质点振动加速度相等，位于两者之间。而最大峰值加速度为1.36m/s-2，出现在0.78s。

2.2 不同加载面横波加载

选取底面和左侧面，加载横波计算得所选质点振动加速度时程如图5所示。

图5 底面（上）和侧面（下）加载时质点加速度时程

当为底面加载时，隧道顶面的质点振动加速度最大，底面的质点加速度最小，两帮的质点振动加速度值近似相等，居于前两者之间，与纵波加载相同，四个质点振动加速度时程相差非常小。最大峰值加速度为0.89m/s-2，出现在0.12s。当为左侧面加载时，左帮质点振动加速度最小，右帮质点振动加速度最大，顶面和地面的质点振动加速度值近似相同，居于两者之间，也与纵波加载时相同。最大峰值加速度为1.68m/s-2，出现在1.17s。

2.3 小结

当纵波加载时，采用底面加载所得的计算结果较侧面加载时的计算结果大；而采用侧面加载时，在地震波加载完成之后，会出现多个明显的峰值振动加速度。主要是由于模型上表面为地表，非无反射边界，地震波在地表多次反射造成的。

当横波加载时，采用底面加载时所得的计算结果较侧面加载时的计算结果小，且采用底面加载时，计算结果较为接近，各个质点的峰值振动加速度虽然也逐渐收敛，但有较为明显的波动现象。

因此，不同加载面计算所得结果并不相同。当为近场地震，震源位于结构下方时，可采用底面加载；当为远场地震，震源与结构相距较远时，应选用合适的加载面进行地震波的加载。

3 结论

本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，模拟隧道在不同加载面加载地震波时的地震响应，对比分析计算结果，认为当加载界面不同时，计算结果和规律有较大差异。因此，实际工程中应结合工程具体情况，参照工程结构与地震震源之间的相对位置关系，选择合适的加载面进行地震的分析计算。

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［责任编辑：常鹏飞］