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摘要：采用有限元软件ANSYS进行动力分析，通过对设置抗震缝与未设抗震缝的隧道震动响应，及设置不同间距抗震缝对隧道影响两方面进行了对比分析，研究在不同烈度下设置抗震缝及抗震缝间距对隧道抗减震效果的影响规律。
关键词：隧道工程；抗震缝；有限元方法；动力分析；减震效果；
隧道及地下结构抗震减震措施主要有两种途径[1][2]。第一种途径是通过改变隧道的性能参数来减轻隧道衬砌的内力，主要包括：a.采用轻骨料混凝土减小衬砌质量；b.采用钢纤维混凝土增加衬砌的强度；c.采用聚合物混凝土或粘贴大阻尼材料增加衬砌的阻尼；d.采用管片式拼装衬砌、锚喷网支护或钢纤维混凝土、增加衬砌厚度或采用钢筋混凝土等措施调整衬砌的刚度。
第二种途径目前研究得较多的是包括设置减震层和抗震缝。在隧道衬砌和地层之间设置减震层，使地层的变形难以传递到隧道上，从而使隧道的地震响应降低，主要方法有：在隧道衬砌和围岩之间设置减震器或减震材料、管片衬砌接头部位设置减震装置等。沿着隧道轴向设置环向抗震缝，也可以消除隧道纵向拉应力，尤其是在隧道仰拱部位，从而起到减震作用。本文采用了设置抗震缝，虽然在隧道规范中[3]已经提出了对抗震缝的设置，但仍是语焉不详，难以作为工程设计及施工依据。本文通过数值分析来找出不同烈度下隧道抗震缝的设置规律。
1抗震分析方法选取
地下结构的抗震分析方法，在早期主要是依靠借鉴地面结构抗震设计简化方法——静力法，其中包括地震系数法（又称拟静力法、惯性力法）、反应位移法等，这是一般地下结构抗震设计使用较频繁的实用方法，但是对于复杂的大型地下工程，往往还需要进行地震响应动力分析和动力模型试验分析。本文对现有的地下结构地震反应研究方法进行归纳和总结，将现有的抗震分析方法基本可概括为三种：原型观测、实验研究和理论分析。由于地震的不可预见性，有目的的强震观测很难驾驭实验进度，等待周期很长，因此观测资料有限。原型振动实验成本太高；振动台上的模型实验无法模拟土层的半无限性，且由于实验模型相似率的制约无法准确推算原型的结果。鉴于这种情况，采用计算方法研究隧道结构地震反应是一个适宜的途径。故此本文决定采用有限元动力时程分析方法[4][5]。
2有限单元法
有限单元法就是把物体，假想地划分成有限个简单形状的单元，用这种有限个单元的集合体来替代原来的物体。而各个单元之间则靠节点相连，节点相当于一个铰链，传递着单元之间的相互作用力，即为节点力。作用在节点上的外力称为节点荷载。节点力与节点荷载不同，前者是内力，后者是外力。单元的划分和节点的选择，除了根据物体的特点、承受荷载的情况、计算精度的要求以及考虑计算机的容量等因素外，很大程度上是人为的。
目前以有限元法为基础理论的很多通用商业软件用在各个主要领域，其中ANSYS是使用较频繁的一种，也是本文采用的主要分析手段。
3计算实例
3.1 隧道模型与参数
本文在建立三维模型进行分析时[6][7]，为了控制模型大小和减小边界效应的影响，根据经验围岩左、右及下边界至少取到5～8倍隧道洞径，文中模型左右边界均离隧道轴线50m，下边界取为60m，隧道进洞长度取45m，即100×100×45，计算模型见图3.3。计算所采用的单位系统为：长度-m，质量-g，时间-s；导出单位：密度-kg/m3，应力-MPa，速度-m/s。在建模与分析时以X轴为水平方向，向右为正；Y轴为竖直方向，向上为正；Z轴为隧道纵向，向外为正。
模型在建立时围岩采用SOLID45实体单元、衬砌和抗震缝采用SHELL63单元进行模拟，共划分单元17988个，划分节点18848个。而抗震缝的实现是通过工作面在衬砌上切取20cm，然后赋予参数，切割间距根据工况（表2）不同加以设定。抗震缝与隧道的平面位置关系见图2，在距隧道口30m处均设置了抗震缝，所以为了在计算结果分析时具有可比性，采用该断面作为分析断面，其控制点位置见图3。
围岩材料采用D-P准则模型，物理参数的选取参考现行《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004），具体见表1。
图10 竖向位移最值比较线
结合图8~10可以得出：
衬砌在施作抗震缝过后，竖直方向的位移相对无措施时明显减小，说明抗震缝具有良好的减震效果；当抗震缝间距变小时（5m），虽然竖直位移比无抗震缝时小，但是明显比间距为15m和10m的两种工况要大，说明抗震缝的设置并不是间距越小越好，当破坏衬砌整体性过后，往往会适得其反；在不同间距和不同烈度情况下，拱顶与仰拱的差值变化并不大，说明衬砌维护了整个隧道结构的稳定性。
3结论
（1）抗震缝的设置对应力的降低作用是明显的，其主要变化趋势是：应力和衬砌的内力是随着间距的减小而相应降低，但随着地震烈度增加而增加。
（2）抗震缝的间距对于隧道衬砌位移的变化较复杂，在设置时需要斟酌。设置抗震缝过后水平位移与竖直位移都较未设时有明显的降低，但是在抗震缝处却会产生纵向位移，虽然位移量不大但仍需注意；当抗震缝间距设置为5m时，减震效果降低，特别是在高烈度地震条件下，控制点位移较间距为10m时还有所增加，主要是由于抗震缝密集，破坏了衬砌结构的整体性。
（3）抗震缝具有明显抗震减震效果。从内力的角度讲，抗震缝设置间距越小越好，但是过小后会影响结构的整体性，导致局部位移会增大，得不偿失，建议间距为10m较为适宜。
参考文献
[1]林皋.地下结构抗震分析综述（上）[J].世界地震工程，1990（2）
[2]林皋.地下结构抗震分析综述（下）[J].世界地震工程，1990（3）
[3]公路工程抗震设计规范.中华人民共和国交通部.2013
[4]严松宏，梁 波等.考虑地震非平稳性的隧道纵向抗震可靠度分析[J].岩石力学与工程学报，2005，3.
[5]高峰，李德武.隧道三维地震反应分析若干问题的研究[J].岩土工程学报，1998，20（4）：48~53.
[6]刘晶波，李彬，刘祥庆.地下结构抗震设计中的静力弹塑性分析方法[J].土木工程报.2007.7
[7]高峰.关宝树.隧道地震反应分析中几种边界条件的比较[J].甘肃科学学报，2004. 16（1）：109~112.
论文作者:黄博,张丽
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/11
标签：隧道论文; 间距论文; 位移论文; 节点论文; 结构论文; 单元论文; 模型论文; 《建筑学研究前沿》2018年第11期论文;