一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法技术

本发明专利技术提出一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，涉及盾构隧道工程技术领域，通过特殊结构隧道区段和普通隧道区段的划分，连接关系的构建，地层位移

【技术实现步骤摘要】
一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法


[0001]本专利技术涉及盾构隧道工程
，具体是一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法
。

技术介绍

[0002]现行地下结构抗震设计规范中的盾构隧道横向抗震计算多采用反应位移法，该方法针对盾构横断面，计算模型为二维模型，一般只适用于纵向结构形式无变化的盾构隧道结构抗震分析
。
而对于在结构形式特殊的盾构隧道，如盾构管片
‑
现浇钢筋混凝土
‑
盾构管片或盾构管片
‑
钢结构
‑
盾构管片等型式，设计规范中的反应位移法并不适用，无法真实反映不同结构形式的连接及地震响应的差异
。
为解决这一问题，采用时程分析法进行计算
。
但这种方法建模复杂
、
计算耗时长，难以推广应用
。
[0003]因此，需要一种简便
、
工程实用性强，且能反映特殊结构形式盾构隧道地震响应的计算方法
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，克服现有技术的不足之处，设计一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，通过盾构隧道的特殊结构隧道区段和普通隧道区段的划分，连接关系的构建，地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力和惯性力的施加，实现二维到三维的扩展，能够反映相邻结构之间的相互作用，简单高效，可推广性强
。
[0005]一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：求解隧道各区段处的地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力和惯性力；
[0007]步骤2：找出盾构隧道的特殊结构隧道区段，构建特殊结构隧道区段和左右两侧普通隧道区段的连接关系，建立盾构区段的三维模型；
[0008]步骤3：将隧道各区段处的地层作用在结构表面的剪应力分别施加到盾构区段的三维模型外侧，将隧道各区段处的地层位移和惯性力分别施加到盾构区段的三维模型上，求解三维模型的抗震结果
。
[0009]进一步的，当隧道区段是均质地层时，区段处的地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力和惯性力分别依据下述公式求解：
[0010][0011][0012]f1＝
ma1[0013]其中，
u(z)
表示地层位移，
τ
(z)
表示地层作用在结构表面的剪应力，
f1表示均质地层时隧道区段的惯性力，
u
max
表示场地地表最大位移，
z
表示地层深度，
H
表示地表至地震作
用基准面的距离，
G
表示地层动剪切模量，
m
表示结构质量；
a1表示结构加速度
。
[0014]当隧道区段是非均质地层时，惯性力依据下述公式求解：
[0015]f2(t)
＝
ma
′2(t)
[0016]其中，
f2(t)
表示非均质地层时，
t
时刻隧道区段的惯性力，
a
′2(t)
表示
t
时刻调整后的地震加速度时程，
a
′2(t)
满足下式：
[0017][0018]其中，
a
′
max
为调整后的地震加速度峰值，
a
max
为原记录的地震加速度峰值，
a2(t)
为原记录的
t
时刻地震加速度时程，
[0019]地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力则通过
SHAKE91
进行一维自由场地土层地震分析获得，在输入各土层厚度
、
土的密度
、
土的动剪切模量
、
土的阻尼比和
a
′2(t)
后自动输出
。
[0020]进一步的，盾构隧道的特殊结构隧道区段包括：
①
盾构隧道中材质不同于普通隧道区段的区段；
②
盾构隧道中施工方法不同于普通隧道区段的区段；
③
盾构隧道中结构尺寸不同于普通隧道区段的区段
。
[0021]进一步的，建立盾构区段的三维模型包括如下步骤：
[0022]步骤
2.1
：将普通隧道区段和特殊结构隧道区段分别简化成多个纵切面为圆形的空心圆柱体，空心圆柱体的半径为该区段盾构隧道管片的内径和外径的平均值，空心圆柱体的长度为该区段盾构隧道管片的长度；
[0023]步骤
2.2
：特殊结构隧道区段和普通隧道区均段采用梁单元模拟；
[0024]步骤
2.3
：在特殊结构隧道区段和普通隧道区均段的空心圆柱体外侧分别设置地基弹簧，地基弹簧系数
k
采用下述公式：
[0025]k
＝
KLd
[0026]其中，
K
表示基床系数，
L
表示地基的集中弹簧间距，
d
表示地层沿地下结构纵向的长度
。
[0027]优选的，各空心圆柱体的壁厚通过惯性矩
I
做体现，
I
满足：
[0028][0029]其中，
D
表示区段内隧道外径，
d
为区段内隧道内径
。
[0030]进一步的，将特殊结构隧道区段依据管片厚度差异划分成多个区段：
[0031][0032]当满足上述公式时，第
i
个区域和第
i+1
个区域需要划分成不同的空心圆柱体，否则，不需要进行区段划分，合并成一个统一的空心圆柱体，
[0033]其中，
D
i
表示第
i
个区域的管片外径，
d
i
表示第
i
个区域的管片内径，
D
i+1
表示第
i
个区域相邻区域的管片外径，
d
i+1
表示第
i
个区域相邻区域的管片内径，
δ
表示厚度偏离度，0＜
δ
＜1，
δ
优选5％
‑
10
％
。
[0034]进一步的，步骤3采用有限元软件求解三维模型的抗震结果，抗震结果包括弯矩
、
剪力
、
轴力和变形，由于特殊结构隧道区段和普通隧道区段的连接作用，特殊结构隧道区段
除受自身范围的外力作用外，临近普通隧道区段的受力同时通过连接传递到特殊结构隧道区段，对特殊结构隧道区段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：求解隧道各区段处的地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力和惯性力；步骤2：找出盾构隧道的特殊结构隧道区段，构建特殊结构隧道区段和左右两侧普通隧道区段的连接关系，建立盾构区段的三维模型；步骤3：将隧道各区段处的地层作用在结构表面的剪应力分别施加到盾构区段的三维模型外侧，将隧道各区段处的地层位移和惯性力分别施加到盾构区段的三维模型上，求解三维模型的抗震结果
。2.
根据权利要求1所述的一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，其特征在于：当隧道区段是均质地层时，区段处的地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力和惯性力分别依据下述公式求解：力分别依据下述公式求解：
f1＝
ma1其中，
u(z)
表示地层位移，
τ
(z)
表示地层作用在结构表面的剪应力，
f1表示均质地层时隧道区段的惯性力，
u
max
表示场地地表最大位移，
z
表示地层深度，
H
表示地表至地震作用基准面的距离，
G
表示地层动剪切模量，
m
表示结构质量；
a1表示结构加速度
。3.
根据权利要求2所述的一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，其特征在于：当隧道区段是非均质地层时，惯性力依据下述公式求解：
f2(t)
＝
ma
′2(t)
其中，
f2(t)
表示非均质地层时，
t
时刻隧道区段的惯性力，
a
′2(t)
表示
t
时刻调整后的地震加速度时程，
a
′2(t)
满足下式：其中，
a
′
max
为调整后的地震加速度峰值，
a
max
为原记录的地震加速度峰值，
a2(t)
为原记录的
t
时刻地震加速度时程，地层位移
、
地层作用在结构表面的剪应力则通过
SHAKE91
进行一维自由场地土层地震分析获得，在输入各土层厚度
、
土的密度
、
土的动剪切模量
、
土的阻尼比和
a
′2(t)
后自动输出
。4.
根据权利要求3所述的一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，其特征在于：盾构隧道的特殊结构隧道区段包括：
①
盾构隧道中材质不同于普通隧道区段的区段；
②
盾构隧道中施工方法不同于普通隧道区段的区段；
③
盾构隧道中结构尺寸不同于普通隧道区段的区段
。5.
根据权利要求4所述的一种适用于特殊结构盾构隧道的三维抗震计算方法，其特征在于：
建立盾构区段的三维模型包括如下步骤：步骤
2.1
：将普通隧道区段和特殊结构隧道区段分别简化成多个纵切面为圆形的空心圆柱体，空心圆柱体的半径为该区段盾构隧道管片的内径和外径的平均值，空心圆柱体的长度为该区段盾构隧道管片的长度；步骤
2.2
：特殊结构隧道区段和普通隧道区均段采用梁单元模拟；步骤
2.3
：在特殊结构隧道区段和普通隧道区均段的空心圆柱体外侧分别设置地基弹簧，地基弹簧系数
k
采用下述公式：
k
＝
KLd
其中，
K
表示基床系数，
L
表示地基的集中弹簧间距，
d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕晓，张亚洲，姚占虎，李辉，徐文礼，魏驰，张习颖，陆明飞，徐明远，张超，陆平，魏涛，于磊，
申请(专利权)人：中交隧道工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：