發布時間：2022-04-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：在遭遇強烈地震時，復雜地形和地質條件下高速鐵路橋隧搭接段是容易出現嚴重損傷或破壞的一類復雜連接工程組合體。但是，目前國內外對于統籌考慮橋隧巖這一復雜系統內不同結構、部位之間相互作用的在強烈地震作用下的震害機制與動力響應的研究仍不多見。為此，設
摘 要：在遭遇強烈地震時，復雜地形和地質條件下高速鐵路橋隧搭接段是容易出現嚴重損傷或破壞的一類復雜連接工程組合體。但是，目前國內外對于統籌考慮橋−隧−巖這一復雜系統內不同結構、部位之間相互作用的在強烈地震作用下的震害機制與動力響應的研究仍不多見。為此，設計并完成了多組基于大型振動臺的不同方向地震激勵下的模型試驗，分析了軟巖橋隧搭接段的動力響應特點及激勵方向的影響機制。試驗結果表明，強烈地震作用對橋−隧−軟巖系統的安全與整體穩定非常不利，且隧道洞口及橋梁端部的加速度、位移、應變等地震響應數值大小及變化規律在不同方向地震激勵下有顯著的差異性。隧道擴大段拱頂和拱腳、標準段拱腳以及橋梁端部、橋臺頂部、洞頂土體等部位地震響應較大，應予以加強或特殊處理。研究結果可以為軟巖條件下橋隧相連結構抗震設計與地震響應分析提供一定參考。
關 鍵 詞：軟巖;橋隧搭接段;大型振動臺;不同激震方向;地震響應
1 前 言
山嶺隧道洞口段往往是抗震設防的薄弱區域，在烈度大、持時長的強震作用下易出現較大震害[1−3]。多年來，在我國西、南部地區復雜地形、地質條件下的鐵路工程建設中，不可避免地出現了較多的橋梁與隧道相互搭接、鄰接相連的工程形式。而若橋隧搭接結構建于強震區或山區隧道洞口存在較大范圍易風化或較破碎圍巖的地帶，受頻發的地震災害的影響，或遭遇較強的地震作用時，鐵路線路中這一類軟弱圍巖中的橋隧搭接段是很容易出現嚴重震害的地段。
近年來，國內外學者采用理論分析、數值模擬和模型試驗等方法針對橋梁、隧道、拱壩、邊坡、地下建筑結構等復雜結構及巖土工程在抗震分析及減震技術上開展了大量研究工作，取得了一些有意義的成果與結論。例如，康帥等[4]選擇 3 種試驗記錄作為某框架結構模型結構振動臺試驗的臺面輸入，分析了不同輸入機制對結構地震反應的影響。范立礎等[5]對復雜結構地震波輸入最不利方向標準問題進行了進一步的探討并提出了修正方法。魏春莉[6]通過振動臺試驗模型研究，揭示了樁−土−橋梁結構地震動力相互作用的機制。王帥帥等[7]針對含軟弱夾層隧道洞口仰坡開展大型振動臺試驗研究，研究了地震作用下含軟弱夾層隧道洞口仰坡的動力響應特性。侯森等[8]對山嶺隧道洞口段開展了大型振動臺模型試驗研究。孫鐵成等[9]以具有間距和錯距的實際隧道為原型，基于數值計算模型探究了隧道在地震過程中的破壞機制及其洞口段的動力響應規律。宋貞霞等[10]研究了雙向地震波輸入時不同振動方向對拱壩−地基系統地震響應的影響。關振長等[11]開展了特大斷面隧道的 1/30 縮尺模型振動臺試驗，分析了特大斷面隧道動力特性與輸入地震動幅值的關系。Tatsuo 等[12]通過集中單元模擬地基分析 Morrow point 拱壩在地震波輸入振動方向變化時拱壩的應力響應。趙武勝等[13]基于泡沫混凝土隧道減震材料，通過室內試驗和數值方法研究了減震層剪切模量、厚度及減震層-襯砌界面特性對減震效果的影響。王麗麗等[14]采用動力有限元數值模擬的方法，探究了隧道洞口段及仰坡在不同仰坡坡度影響下的動力響應。George 等[15]強調了考慮土與結構相互作用效應對三維隧道地震反應非線性分析的重要性。Kyriazis 等[16]研究了考慮地面上結構物的影響時圓形隧道的抗震性能。然而，上述及當前大多數研究成果或僅偏重于考慮單一的隧道、橋梁、邊坡、堤壩，或是僅同時考慮隧道與圍巖、地下結構與土層、橋梁及基礎與土層的相互作用等 2～3 個主導因素的綜合分析，而少有考慮橋、隧、圍巖三者耦合時的相互干擾和附加不利效應對其動力響應、損傷行為、災變破壞及演變過程影響的相關研究或報道。
橋隧搭接段因其結構的復雜性與特殊性，一旦遭受地震的嚴重損傷或破壞而極易導致不可挽回的巨大損失，難以修復或重建。這是研究橋隧搭接這一類復雜工程結構所不能回避的關鍵問題之一。因此，對軟弱圍巖條件下的橋隧搭接結構，在對其動力響應的一些初步研究成果[17−19]的基礎上，進一步開展地震動力響應特性、減震抗震分析方法和設防措施等方面的研究將具有重大的理論研究價值與現實意義。但綜合各方面的研究成果[3, 7−8]來看，當前對多類結構耦合巖土工程問題的研究方法，主要可以采用理論分析、數值模擬、現場測試和模型試驗等研究方法，而這其中振動臺模型試驗則是目前測試復雜結構抗震性能和地震響應的最為直觀而有效的試驗方法之一。
為此，本文基于大型振動臺設計并完成了多組模型試驗，研究了不同方向和不同激震強度的 EI Centro 地震波對某一分離式洞門類型的高速鐵路橋隧搭接結構的影響效果，并基于試驗結果分析了其動力響應特點，探討了地震激勵方向的影響機制及抗震設防措施。相關試驗結果及結論，可以為后續深入研究復雜條件下類似及其他相關類型橋隧相連結構的地震響應、抗震設計、減震設防措施等提供試驗依據或參考。
2 工程背景
在我國西部、南部山嶺重丘區，面對復雜的地形、地貌條件，很多線路往往有很高的橋隧比(一般 50%以上，有時高達 70%～80%)，導致了大量橋− 隧、隧−隧相連現象的出現。橋隧相連工程作為橋梁與隧道的距離足夠小以致二者之間存在相互影響的一類工程，是我國西部、南部山區和臨海(江、河)鐵路、公路建設中常見的工程組合形式，是橋梁、隧道和邊仰坡巖土體及其防護工程的復雜組合體[17, 19]，涉及橋梁、隧道、巖土工程等多個領域。
由于近年來許多復雜地質地段(如圍巖軟弱、破碎、富水、偏壓、巖溶、高海拔、凍土、地層軟硬不均、穿越坡積體或鄰近地震斷裂帶等)中橋隧相連工程的不斷建設以及各種損傷、破壞與病害現象的增多，對于如何準確分析和研究其在高烈度震區的多源損傷力學行為特性與復雜多因素誘發之災變破壞機制、災害防治與安全控制技術等問題，都是對目前橋隧相連工程設計、施工及后期運營管理與維護及其建設過程及正常使用階段的安全與穩定以及過往車輛行車安全的極大挑戰，已逐漸引起國內外學界的高度關注。
3 試驗概況
3.1 振動臺性能
本次振動臺試驗是在中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室多功能振動臺實驗室地震模擬振動臺上完成的，其主要參數見表 1。
3.2 試驗平臺及測試系統
本次高速鐵路橋隧搭接結構振動臺試驗模型箱和振動臺試驗平臺及測試系統，如圖 1、2 所示。
試驗模型箱為剛性無蓋箱體，采用厚鋼板、槽鋼支架及加厚有機玻璃等加工制成。模型箱內輪廓尺寸為長×寬×高 = 3 500 mm×1 500 mm×2 000 mm (見圖 1)。此外，為方便觀察試驗過程、測點布設和裝卸模型及材料，模型箱前面中間上半部分 3 500 mm×1 000 mm(長×高)左右用有機玻璃模板遮擋。
3.3 模型試驗相似關系
本次振動臺模型試驗采用結構動力實用模型(忽略重力加速度的影響)[20]，幾何相似比為 1/30，其他相似比依據相似關系[21−22]換算得到。試驗中的主要相似關系及相似常數如表 2 所示。
3.4 模型加工及材料制備
3.4.1 圍巖相似材料
試驗中的圍巖材料采用復合材料配制，其材料配比(重量比)為：重晶石粉:石英砂:鋰基潤滑油= 10:5:1，其物理力學參數如表 3 所示。
3.4.2 結構模型
本次振動臺試驗中的橋梁結構模型，參照實際工程 32 m 跨度的高速鐵路簡支箱梁橋[23−24]簡化制作而成。綜合考慮本次振動臺試驗中的試驗加載工況、模具精度及制作難度、結構模型加工工藝、制備時間及養護條件、模型成型難易程度、結構模型成型及組裝特點、模型箱內圍巖材料的填筑過程、測點布設便利性及結構模型對振動臺試驗的適用性(如不會因材料太脆弱而使隧洞周邊土體倒塌，或使結構或模型箱產生附加二次破壞而影響試驗精度或導致安全事故)等因素，本次試驗中的模型混凝土的主要力學參數(如彈性模量、泊松比、抗壓強度等)與實際工程相比并沒有調整(采用 1:1 的相似比)，沒有采用常規石膏、有機玻璃或其他復合合成材料[20−22]。其中，梁板、基礎及橋臺帽模型均采用混凝土材料制作。
振動臺試驗過程中，橋梁部分的邊界條件做如下處理：模型橋搭接端的橋臺底部及樁基礎樁身嵌固于周邊巖土體中且底部嵌固和支撐在模型箱底部鋼板上，遠端矩形實心墩底部采用型鋼和螺栓與振動臺頂面固結(見圖 2(a));橋梁梁板在隧道洞內搭接端與橋臺頂部鉸接(設置簡易鉸支座和限位鋼筋)，遠離洞口端的梁端用滑動支座與橋墩頂部連接并設置簡易限位裝置(見圖 2(d))。
試驗中的隧道模型依據實際工程中的高速鐵路單洞雙線鐵路隧道簡化制作而成。由于目前的研究對于橋隧過渡段(無論橋隧搭接還是橋隧鄰接)隧道一側的影響范圍尚無可靠依據供參考和借鑒，本試驗中的隧道段長度暫依據目前常規隧道洞口段研究時的做法[7−8, 14]，隧道標準段(非搭接段)按 2 倍洞寬(換算成原型長度，約 26 m)考慮，隧道與橋梁搭接段(即隧道擴大段)長度暫依照相關工程實例按 10 m 長度考慮[9, 19]，而對于改變上述參數對類似工程結構抗震的具體影響以及還需考慮哪些影響因素等問題，后續將另作深入探討和分析。
隧道洞口擴大段為無仰拱分離式隧道洞門，隧道襯砌模型[25−26]用混凝土材料制作，內配直徑為0.5 mm、網格間距為 15 mm×15 mm 的鋼絲網。結構筑模用混凝土的物理力學性能試驗結果見表 4。
3.4.3 模型制作及試驗箱填筑
試驗模型制備、填筑及相關材料性能試驗均在高速鐵路建造技術國家工程實驗室、中南大學高速鐵路線橋隧靜動力學實驗室、結構實驗室和巖土工程實驗室內完成。
在模型制作過程中，為了防止個體差異，試驗中所有橋梁、隧道結構模型和隧道圍巖相似模擬復合材料均是在同一時間段或同一批次中制備完成，以減小由模型差異帶來的試驗誤差。本試驗箱內土體均采用分層夯實的填筑方式，每層土在鋪設過程中用環刀法測定密度，保證箱內土層壓實度的一致性。此外，試驗前在模型箱底澆筑一層素混凝土并鋪設 5 cm 左右厚碎石，并在箱體四周粘貼厚泡沫板來減少模型箱的邊界效應。
3.5 測點布置
橋隧搭接結構因其特殊性和復雜性而有較多測點，本次振動臺試驗對其進行了選取和篩除。試驗主要針對橋梁和隧道結構及周圍巖土體的一些關鍵結構部位和測點進行了測量和記錄。本次試驗中各傳感器與測點的布設情況，如圖 3 所示。
4 試驗加載方案
4.1 地震波選擇及處理
由于目前研究中對橋隧搭接結構受不同方向或不同烈度地震激勵影響的顯著性和敏感性尚不清楚，而在軟弱地基條件中則更是難以描述其復雜力學行為與災變破壞過程等宏觀現象，因而本次振動臺試驗在確定地震激勵工況時主要考慮了方向和烈度的不同。試驗中，各個地震波的加速度峰值按照我國抗震規范[4–5]中的地震震中烈度加速度值對應輸入，時間間隔在原始地震波基礎上按照相似關系調整。其中，所采用的經濾波處理后的 EI Centro 地震波加速度時程曲線及其傅氏譜，如圖 4 所示。
4.2 加載方案
振動試驗臺面輸入波分別沿 X 向(水平向垂直隧道軸線)、Y 向(水平向沿隧道軸線)、Z 向(豎向垂直隧道軸向)及其兩兩組合(X 向+Y 向、Y 向 +Z 向或 X 向+Z 向)或三向組合(X 向+Y 向+Z 向)對試驗模型進行加載(方向示意見圖 3)，并按照加速度峰值 0.1g、0.3g、0.4g、0.6g 或原始波峰值由低到高逐級進行加載。
5 試驗結果及分析
5.1 加速度
試驗中的不同加載方向組合方式，分別為同一烈度地震波的單向、雙向加載。不同加載方式分別為 EI Centro 波水平方向沿隧道橫向(EI-X)、水平方向沿隧道縱向(EI-Y)、豎向(EI-Z)、雙向 XY 向(EI-XY)、雙向 XZ 向(EI-XZ)、雙向 YZ 向(EI-YZ)。
為了更直觀地描述各測點的加速度響應變化幅度，特引入加速度放大系數并做定義如下：某一測點的加速度放大系值，等于該測點的加速度峰值(X 向、Y 向或 Z 向)與振動臺臺面上對應方向的加速度峰值的比值。
5.1.1 單向加載
圖 5 為部分測點在單向地震激振(EI-X、EI-Y、 EI-Z)作用下各測點加速度放大系數及其變化情況�？梢�，在 EI-X 激振工況下，各測點加速度放大系數除橋跨中外均大于 1，最大值在擴襯腳處。在 EI-Y 激振工況下，各測點加速度放大系數在 1.4～3.9 之間，除測點樁頂土以外，其他所有測點 Y 向加速度放大系數均大于 2;最大值在測點擴襯頂處，最小值在樁頂土測點處，且由大到小順序為：擴襯頂、擴襯腳、標襯腳、橋臺頂、橋跨中、樁頂土，這與測點離地面高度大小順序一致。在 EI-Z 激振工況下，各測點加速度放大系數均小于 1，最大值出現在擴拱腳處，最小值出現在標襯腳處。
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因此，由圖 5 中試驗結果及分析可見：①橋隧搭接結構模型在不同單向地震激振(EI-X、EI-Y、 EI-Z)下的加速度響應有較大差異。②在地震波激振方式(EI-Y)下，水平向沿隧道軸線(即 Y 向)的各測點的加速度放大系數數值相對較大，X 向次之，Z 向最小。
5.1.2 雙向加載
不同加載方向組合方式下各測點沿 X、Y、Z 方向的加速度放大系數，分別如圖 6～8 所示。
由圖 6～8 中數據及結果對比分析，可知：
(1)橋隧搭接段各測點在 EI-XY、EI-XZ、EI-YZ 雙向激振作用下各測點加速度放大系數，大都明顯大于 EI-X(EI-Y 或 EI-Z)單向激振下的數值(EI-YZ 相比 EI-Y 工況及其他個別測點除外)。說明其他方向地震激勵分量的加入，會給各測點某單一方向的加速度帶來顯著的附加放大效應。例如，EI-XY 和 EI-XZ 的結果，大約比EI-X激勵下增大 50%～100% (大多為 EI-X 時的 1.5～2.0 倍左右)。因而，相比任一單一方向激勵而言，可近似地認為雙向耦合的地震激勵將使橋隧搭接結構產生更不利的動力響應。
(2)相對于 X 向或 Z 向激勵而言，Y 向激振的加入對各測點沿任一單方向(X、Y 或 Z 向)加速度的影響均較大，而這極有可能與試驗中的橋隧搭接結構模型在隧道洞口外側(沿 Y 向)有較大臨空面以及較差的圍巖性質有關。
5.2 位移
試驗中，采用激光位移傳感器(位移計)對橋隧搭接段的主要測點位置進行測量，并根據測得的數據對橋隧搭接段動位移響應進行分析。
圖 9 是隧道洞口擴大段各測點及梁端在加載 EI Centro 波 X、Y、Z 向激振作用時沿 Y 向的位移響應峰值變化曲線。由圖 9 可見，X 向激振作用下隧道擴大段襯砌拱頂處的動位移峰值最大，冠梁處的動位移峰值最小;Y 向激振作用下測點擴大段襯砌拱腳處的動位移峰值最大，測點冠梁處的動位移峰值最小;Z 向激振作用下隧道擴大段拱頂處動位移峰值最大，測點擴大段拱肩的動位移峰值最小。3 個方向激振作用下各測點的動位移峰值變化規律不同，但顯然橋隧搭接段隧道擴大段洞口襯砌的縱向位移主要受縱向地震波的影響，而橫向和豎向地震波分量一般無顯著影響。
圖 10 是隧道洞口擴大段及梁端各測點在 EI Centro 波 XY、YZ 和 Y 向激振作用下的沿 Y 向位移峰值變化曲線。由圖 10 可知：相比 Y 向地震波作用，XY 向地震波耦合作用下的測點隧道擴大段拱頂及樁頂冠梁處的 Y 向位移較小，且擴大段拱頂的減小幅度較大，而其他測點則略微增大。此外，3 種不同的加載方式下，各測點動位移大小規律基本一致，且梁端處的動位移峰值最大，約為擴大段內其他測點動位移的兩倍。這也說明在上述各個方向地震波的作用下，搭接段處的橋梁端部容易產生沿隧道軸線的水平位移，極易導致梁端與搭接段隧道擴大段洞口位置的其他結構物(包括橋梁、樁基、橋臺、隧道洞門及擋護結構等)產生顯著位移、錯動甚至相互撞擊。因此，應對搭接段橋梁伸縮縫、橋臺胸墻及隧道洞口擋護結構加固處理或者對橋梁端部采取軸向限位措施。
5.3 應變
隧道擴大段是橋隧搭接相連段中突顯其不同應變特點或動力響應特性的關鍵部位，因此，深入分析其對地震激勵方向的敏感性就顯得尤為重要。然而，軟巖中橋隧搭接時的具體特性與普通隧道洞口不同，其隧道結構應變的最大或最不利位置也極有可能因搭接處復雜的地形和地質情況以及特殊的結構組合方式而明顯不同。限于篇幅，以下暫僅選取部分隧道擴大段測點的應變結果進行分析。隧道襯砌標準段與擴大段其他多個特征位置在不同地震激勵作用下動力響應特點與對比分析，以及其他相關力學響應規律與主要影響因素等內容，將在后續其他論文中再作深入分析和研究。
5.3.1 隧道擴大段襯砌徑向應變
圖 11 是在不同方向加載方式(X 向、XY 雙向和 XZ 雙向)的地震波激振下，隧道擴大段襯砌部分測點沿隧道洞周徑向的應變峰值及其變化情況。面襯砌的應變峰值均大于 1-2 截面，即隧道擴大段襯砌越靠近洞口其應變值一般較大，故對近隧道洞口段襯砌應在抗震設防中特別關注。
5.3.2 隧道襯砌縱向應變
隧道襯砌擴大段 1-1 截面及 1-2 截面在 Y 向、 XY 和 YZ 雙向激振作用下，各點的縱向(Y 向)應變峰值及其變化情況，如圖 12 所示。——論文作者：孫廣臣 1, 2，謝佳佑 2 ，何 山 3 ，傅鶴林 1 ，江學良 2 ，鄭 亮 1, 4
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