减震效果

2024-05-31

减震效果（通用8篇）

减震效果篇1

一、引言

我国地震烈度6度以上的地区占国土面积的79%, 随着地下空间的开发与利用, 地震灾害对我国人民而言, 是个潜在的巨大威胁。提高地下结构的抗震性能是关系到我国人民生命财产安全和国计民生的重要任务。本文通过ANSYS分别计算隧道结构设置减震层前后在地震荷载作用下的动力作用, 从而得出减震层对隧道的抗震减震的作用结果, 这有利于往后我们设计隧道的减震结构, 也能减少地震灾害的损失。

二、模型的建立

隧道震害是由惯性力和隧道结构刚度与围岩刚度不匹配而引起隧道结构附加应力增大造成的。隧道等地下结构由于弹性模量比围岩的弹性模量大很多, 在地震波荷载作用下很难完全与围岩共同变形, 由于地下结构约束围岩变形产生弹性抗力的作用, 地下结构应力大幅度增加, 导致隧道衬砌结构破坏。隧道的破坏形式主要有二次衬砌开裂、掉块、涌水及错台, 初期支护变形、开裂及掉块, 底板开裂、错台及隆起, 洞口边仰坡崩塌与滑塌, 洞门裂损等。

在隧道初期支护和二次衬砌结构之间设置减震层, 使模型结构体系由原来的隧道围岩、初期支护、二次衬砌结构体系变为围岩系统、初期支护、减震层和二次衬砌结构 (如图1) , 通过减震层改变围岩在地震作用下其与二次衬砌之间的作用方式, 利用减震层充当围岩与二衬的隔离层, 以达到减小两者之间的作用力的目的。地震时, 这个隔离层既可以减减轻围岩对二衬的约束力, 也可以减弱二衬和围岩之间不规律的、随机的、循环往复的动应变或相对动位移。除此以外, 减震层应具有足够小的弹性模量, 和较大的弹性应变, 保证在多次地震后, 依然具有良好的弹性。由此可以看出, 减震层不仅要有耐久性和良好的弹性变形能力, 而且可以传递轴力、剪力、扭矩和弯矩, 减震层模型如图2所示。由于横波或纵波在通过围岩向无限远处传播, 而我们的模型又由于目前的计算机水平限制, 只能是有限的区域, 因此, 边界要设置成三维人工边界。用ANSYS的三维实体单元SOLID45来离散围岩成若干任意四方体单元, 用三维实体单元SOLID45来模拟衬砌结构, 用壳单元SHELL63来模拟减震层结构, 用弹簧加阻尼单元COMBIN14来模拟三维人工边界条件。本次计算采用在地震反应分析时常用的EL-Centro波加速度曲线作为地震输入。

三、计算结果及分析

由图3可以看出, 设置减震层以后, 隧道衬砌最大变形值明显减小, 且随着隧道埋深的增加, 位移较小的幅度也增加, 说明减震层在深埋隧道的减震效果比浅埋隧道要好, 减震层能有效减弱围岩的位移向衬砌传递, 使二衬的位移不至于过大而破坏。

由图4可以看出, 设置减震层后, 隧道衬砌的应力值明显减小, 最后基本维持在一个稳定值 (除洞口处) 。说明减震层能有效减小隧道二次衬砌的受力。

由图5可见, 拱顶的第三主应力峰值明显减小且逐步趋于一个稳定值 (因为第三主应力的负值是方向)

由图6可知, 减震层对减弱硐室衬砌加速度有一定的效果, 设置减震层后, 硐室衬砌加速度明显小于不设减震层的硐室衬砌的加速度。

四、结论

ANSYS三维数值模拟分析结果表明, 本文所建立的减震模型减震效果明显, 在减弱围岩的位移向衬砌传递方面, 减震层能起到非常有效的作用, 减震层要具有足够小的弹性模量、足够大的弹性变形能力和良好的耐久性能, 才能让减震层的作用得到良好的发挥, 保证良好的减震效果。减震层能有效改善二次衬砌的受力情况, 各个断面的拱顶、拱腰和仰拱的应力普遍下降, 尤其洞口处附近的应力下降更为明显;地震波荷载通过大地传播, 穿过隧道周围岩体并经过减震层传递到二次衬砌上;减震层不改变隧道结构和围岩的震动频谱特性。减震层能减弱加速度传递特性从而使隧道衬砌加速度减小。

参考文献

[1]王明年.高地震区地下结构减震技术原理的研究[博士学位论文[D].成都:西南变通大学, 1999.

[2]孙铁成.双洞错距山岭隧道洞口段地震动力响应及减震措施研究[博士学位论文[D].成都:西南变通大学, 2009.

[3]王明年, 崔光耀.高烈度地震区隧道减震模型的建立及其减震效果模型试验研究[J].岩土力学, 2010.6.

发电减震器篇2

位于马萨诸塞州剑桥的黎凡特电源(Levant Power)公司正在研发能产生电流的减震器，根据车辆和驾驶状况不同，它能使得燃料消耗减少1.5～1.6个百分点。这个系统还能改善车辆的操控性。

黎凡特用悍马在道路测试中证明了它的技术，并将在今年夏天把测试扩大到卡车、巴士和其他车辆。从外观上看，除了一端有一根电源线外，这个减震器与传统的减震器相似，也同样可以用机械把它们装在普通的车辆上。它们插入的电源管理设备也能管理来自其他地方的电力，如能量回收制动系统、把多余热量转化为电的热电设备或者太阳能电板。收集起来的电力可用于汽车的电器系统，以减轻发电机的负载。

与传统的避震器一样，黎凡特的技术使用了一个在油中运动的活塞，以减少震动。但是，黎凡特研发了一个经改装的活塞头，里面包含了一个随着活塞在油中移动而旋转的部分，从而带动减震器内部的一个小型发电机。为了改善车辆的操控性，功率调节器利用来自加速计和其他传感器的信息，以改变发电机的电阻，使悬挂系统增强或减弱。例如，如果传感器监测到汽车开始转弯。功率调节器可以增加外轮胎的减震器电阻，以改善转弯状况，黎凡特商业发展副总裁大卫·戴蒙德(David Diamond)说。

重型越野车在崎岖的地面上运动时，这个系统的表现最佳，因此该公司瞄准了军事运用。公司强调要尽可能使用现成的零件以降低成本。戴蒙德指出，主动减震器过去在商业上的失败是因为它们太贵了。新系统的不同之处在于它相对低价而且能发电，他说。该避震器和电子控制元件可能比传统的避震器贵一点，他说，但是当运用到商业运输等地方时，节约的燃料费能在18个月内抵消额外的费用。

纽约州立大学石溪分校的机械工程教授左磊(Lei Zuo)表示，塔夫斯大学和通用汽车的研究人员已经为他们各自的发电避震器设计提出了专利申请。他自己也在研发不用液体，只使用电磁电阻的系统。他说设计这样一个系统的最大挑战在于使得它们小到足以适应现存的车辆，但还要保证它们能够转换相当的电量。

减震效果篇3

TMD的产生和发展已经有数十年的历史,近20年时间TMD更是凭借其经济实用,安全性好,不需外加能源等诸多优点得到了迅速的发展和广泛的应用。为了研究高耸钢结构利用变质量TMD减震的效果,本实验分析利用振动台对三层TMD-高耸钢框架结构模型在基底激励作用下的响应进行研究分析,并结合结构振动理论和传递函数理论进行计算得到的结果,对比分析来验证变质量TMD的减震控制效果及其适用性。

1 实验模型

TMD(Tuned Mass Damper)——质量调谐阻尼器,由质块,弹簧与阻尼系统组成,其工作原理为当结构在外部激励作用下产生振动时,会带动TMD系统一起振动,TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上,调谐这个惯性力,使其对结构的振动产生抑制作用,从而达到减小结构振动反应的目的。

2 模型实验分析

2.1 基于传递函数的TMD减震效果分析

多自由度结构在基地激励作用下的动力学方程:

其中对(1)进行Laplace变换可得如下所示:

其中代入以上式中可得到:

则结构在第阶共振频率基底激励作用下第层处的传递函数为:

此外,对于本试验中结构模型进行动力特性计算,不考虑阻尼,可得三阶主频分别为:9.332、26.119、37.7439单位为弧度每秒。对应的可求得规格化三阶振型分别为:

根据对本实验模型动力特性计算的结果,结合式(5)给出的结构有无TMD两种情况第K层传递函数表达式,可得到一、二阶共振频率激振下结构有和无TMD两种情况下顶层的传递函数对比。

2.2 TMD安放位置对控制效果的影响

首先对三层框架在振动台上进行扫频试验得到主结构的自振频率,并针对一、二阶振型进行分别控制。三层框架扫频得到结构的三阶频率分别为:1.318HZ,3.817HZ,5.696HZ。

为了研究在基底激励下TMD安放位置对其减震效果的影响,本文首先进行了一阶共振频率基底激励结构的振动台试验。具体的实验结果如图1、2所示:

从图1、2的结果中可以看出,在一阶频率共振激励下,TMD安放在结构的底层会使结构的峰值位移减小35%左右,TMD安防在顶层会是结构的峰值位移减小62%左右。比较可知,一阶共振频率激励下,TMD安放在顶部的减震效果更好,这也验证了上边的理论结果表现出的规律,TMD的控制效果与振型向量在每层的分量大小直接相关。对于一阶振型顶部的分量比底部要大很多,这在理论上更加有助于其效果的发挥。

实验模型所选结构自身特点以及所采用的激励类型决定的,较大的高宽比使结构的柔度较大,结构在基底激励作用下靠近下部的反应也较明显,这已经为TMD效果的充分发挥提供了可能的空间。因此,在工程实际应用中TMD的安放位置应根据具体荷载和结构情况来定。

3 结论

通过振动台试验,分析了可变质量TMD在高宽比相对较大、柔度较高的钢框架结构中的减震控制效果及其适用性。对得出的实验数据进行分析,结果表明:首先,在基底激励作用下,TMD的减震效果明显,能很好地减小整体位移和层间位移。并且,通过保持弹簧刚度不变,以改变TMD质量来改变其频率的方式在一定程度上更加经济适用,尤其是对施工过程中结构的振动控制和结构按分振型振动控制有较高的应用价值。最后,本文所提出的变质量TMD仍有待改进:一方面手动变质量虽然经济,但是智能性不强,将其改成半主动式的会有更大的利用价值。另外,变质量TMD质量和弹簧刚度的优化设计与选择较为麻烦。对于这两个问题的深入研究是今后工作的重点。

参考文献

[1]吴波,李慧.建筑结构被动控制的理论与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

汽车减震器修复连锁篇4

2009年下半年，老洪开起了第一家减震器修理店，取名“我帮你”。实践出真知，这句话一点也没错！实践中，老洪根据减震器的损坏程度进行分类、鉴定，再确定价格，新老客户对这样灵活定价的举措都十分认同。

减震效果篇5

对网壳这种大型空间结构, 当地震发生时, 由于强烈的地面运动而迫使结构产生振动, 其惯性作用一般来说是不容忽视的。结构产生的地震内力和位移, 就可能造成结构的破坏和倒塌, 因此在抗震设防区必须对网壳结构进行抗震设计[1]。

约束屈曲支撑 (BRB) 是一种新的可以避免支撑屈曲的体系。主要是由核心钢构件和外围约束构件两部分组成, 核心钢构件由屈服点较低、延性较好的钢材制作, 外围约束构件一般由屈服点较高的钢管填充混凝土或砂浆制成, 核心钢构件与约束混凝土之间设有一层很薄的无粘结材料。在承受轴向荷载作用时, 约束屈曲支撑的核心构件在拉力和压力作用下, 均可以达到充分屈服, 通过屈服达到耗能的目的[2]。

本文对单层空间网壳在罕遇地震作用下加入约束屈曲支撑之后的减震性能进行了分析, 提出了这种网壳结构的支撑布置原则, 并利用ANSYS有限元软件进行了四种不同支撑布置形式的结构分析, 为工程设计提供一定的参考。

2 有限元分析模型

网壳直径为30m, 高度为22.5m, 支座落地, 杆件截面尺寸见表1。杆件采用Q235-B钢材;为了使支撑屈服耗能, 达到减震的目的, 支撑核心钢构件采用屈服强度为100MPa、弹性模量为210GPa、泊松比约为0.3的软钢, 假设其为理想弹塑性模型。

有限元分析时, 屋面及自重荷载取1.65KN/M*M;采用三维EL-CENTRO波, 持时14s, 时间间隔为0.02s。结构构件采用BEAM188空间梁单元, 支撑在结构中主要承受轴向力作用, 所以支撑杆件采用LINK8空间杆单元。主要对结构的水平地震作用进行分析, 本文以7度区为例, 在罕遇地震作用下进行时程分析, 峰值加速度为220GAL[3]。

3 网壳结构的地震响应

在EL-CENTRO强震记录下, 网壳的最大位移主要发生在结构顶部三环以内, 并在下部第五环的部分节点上 (在122节点附近) 位移也得到放大。对内力而言, 依然轴力起主要的控制作用, 故对其地震反应的研究是分析杆件轴向地震内力。考虑到地震作用方向的随机性及地面运动的往复性, 且K8型网壳结构的多轴对称性, 对水平地震作用的结果选取1/8单元分析。

4 支撑布置形式

4.1 支撑布置原则探讨

分析约束屈曲支撑对网壳结构的影响, 其中主要的一个方面是支撑的布置方式, 不同的支撑布置方式对结构将产生不同的影响[4], 因此找出合理的支撑布置方式, 为进一步研究提供参考依据。在布置约束屈曲支撑时, 采用支撑代替结构中构件的方式。BRB是通过构件屈服变形吸收能量的方式得到抗震、减震效果的, 所以BRB的布置位置也不能处于地震作用较小的位置, 得充分受力变形。因此, BRB宜布置在相对位移较大的网壳节点间及杆件被反复拉压的部位。

4.2 支撑布置方式

本文从上述原则出发, 主要采用将第二、三、四、六圈的环向斜杆替代为约束屈曲支撑的方式。由于通过计算分析, 最下部两圈不适宜布置支撑, 故取上部六圈作为研究对象。支撑布置形式如图1所示。

1.第一种布置方式:将第三圈和第六圈远离主肋位置的斜杆进行替换

2.第二、三种布置方式:在第一种的基础上, 将第四圈的部分斜杆进行替换

3.第四种布置方式:在第一种的基础上, 将第二圈的斜杆进行替换

5 计算结果及分析

5.1 位移时程响应分析

约束屈曲支撑的减震效果主要是通过对结构位移的监测来评价的, 通过对网壳结构进行位移分析, 选取位移最大处的节点作为关键点, 共选取了四个节点, 如图1所示, 将关键点的位移变化列于表2中。从表2可以看出, 在前三种支撑布置方式下, 节点的位移明显减小, 约束屈曲支撑表现了良好地耗能、减震性能。而第四种支撑布置方式的减震效果并不好, 在地震波作用下部分节点甚至超过了原始结构的最大位移, 这主要是由于支撑的布置过于靠近主肋, 并且顶部主肋受到的轴向力是最大的, 网壳的受力杆件被两端铰接低屈服点支撑替换, 削弱了网壳结构的刚度, 从而使得节点位移变大, 减震效果较差。

单位:mm

5.2 内力分析

内力分布不是减震系统的直接评价指标, 但可作为减震方案优劣的评价, 间接反应支撑在网壳结构中的减震性能[5]。由于在抗震计算中最关心的是最大响应, 故对主肋、环杆以及斜杆进行内力分析时仅考虑最不理情况进行分析研究。表3记录了在罕遇地震作用下各杆件最大轴力在不同约束屈曲支撑布置形式下的变化情况。可以看出, 四种支撑布置方式都使得杆件的最大轴力明显减小, 说明支撑对结构提供了较大的阻尼, 使得杆件内力大幅下降, 约束屈曲支撑发挥出了很好的消能减震作用。

单位:kN

6 结论

(1) 约束屈曲支撑在罕遇地震作用下, 可以作为良好地消能减震构件, 充分发挥耗能作用, 有效的减小地震作用对结构产生的动力响应。

(2) 支撑的布置方式对结构的减震效果起着决定性的作用, 在布置支撑时应该尽量不要靠近主肋, 否则对主肋的刚度削弱较大, 起不到消能减震的作用。

(3) 支撑的数量对减震效果有一定的影响, 但并非布置的越多效果越好, 当达到一个适当的范围时, 其对结构的减震效果才能充分发挥。具体的适当范围还有待于进一步的研究。

摘要：本文利用非线性有限元理论, 对约束屈曲支撑在空间单层网壳中的减震性能进行了初步研究。假设钢材为理想弹塑性, 通过大型有限元分析软件ANSYS编程进行参数化建模和具体实例分析。通过对结构在罕遇地震作用下的分析, 根据约束屈曲支撑的力学性能对其进行几种方式的布置, 并对几种布置方式的减震效果进行分析, 比较得出较为合理的支撑布置方式。

关键词：非线性有限元,空间单层网壳,ANSYS,约束屈曲支撑

参考文献

[1]陈军明, 陈应波, 吴代华.单层球面网壳地震响应的动力时程分析[J].空间结构, 1999, 5 (4) :15-20.

[2]汪家铭, 中岛正爱, 陆烨 (译) .屈曲约束支撑体系的应用与研究进展[J].建筑钢结构进展, 2005, 7 (1) :2-3.

[3]GBJ11-89[.S]建筑抗震设计规范.

[4]王秀丽, 陈祥勇, 殷占忠.约束屈曲支撑对K6型球面网壳减震效果的分析[J].甘肃科学学报, 2007, 19 (1) :122-126.

减震效果篇6

为了研究粘弹性阻尼器在桥梁结构中的耗能减震效果, 本文运用振型分解反应谱法对一座一联三跨连续梁桥设置粘弹性阻尼器前后的地震响应进行对比, 并对粘弹性阻尼器的减震效果进行了探讨。

1 基本原理

1.1 粘弹性阻尼器的减震原理

粘弹性阻尼器是消能减震技术的一种, 消能减震技术是在结构中设置特殊的减震元件使之在有地震力输入时消耗传入结构体系的振动能量, 从而降低结构的振动反应。将粘弹性阻尼器安装在结构上, 可提高结构的阻尼, 使结构耗能性能提升。安装粘弹性阻尼器还可满足由于温度变化、收缩徐变等因素引起的梁体慢速变形的要求, 并且不产生附加内力。

1.2 设有粘弹性阻尼器的桥梁结构在地震作用下的动力平衡方程

式中:M为减震结构的总质量矩阵;C为主体结构的阻尼矩阵;CD为粘弹性阻尼器的阻尼矩阵;K为主体结构的刚度矩阵;F为地震力;分别为结构的加速度、速度和位移。

其中减震结构由主体结构和附加阻尼器共同组成。

1.3 粘弹性阻尼器的参数设置

在进行减震设计时, 粘弹性阻尼器的设计参数主要有两个:阻尼系数C和阻尼指数α。

一般取阻尼指数α为0.2~0.5, 可根据减震的具体目标确定阻尼指数:当减震主要目标为减小位移时宜选用较大阻尼指数的粘弹性阻尼器;当减震主要目标为减小振动速度时宜选用较小阻尼指数的粘弹性阻尼器, 以降低粘弹性阻尼器的阻尼力, 简化连接节点的构造。本文所研究的大跨连续梁桥, 减震的主要目标为控制桥墩内力与主梁纵向位移, 因此, 粘弹性阻尼器的阻尼指数取0.4。

阻尼器能减小结构的地震响应的同时还可使结构内力分布均匀。随着阻尼系数C的增大, 结构的减震效果越明显, 两墩顶内力值会逐渐逼近, 最后趋于一致, 但当阻尼系数C达到一定大小后对结构减震效果的影响不再明显, 这是因为阻尼系数C非常大时, 阻尼器在连续梁桥结构中起到了固定支座的作用。综合考虑桥梁的结构特点及阻尼器实际性能取C为1500k N·sec/m。

2 实例分析

2.1 工程概况

本文的研究对象为一座 (62+100+62) m的三跨高速公路预应力混凝土连续梁桥。主梁采用变截面预应力混凝土单箱单室箱形梁, 其中箱形梁的梁高按二次抛物线变化, 跨中截面及支点截面的尺寸如图1。桥墩采用实腹轨道型截面, 墩高36m。

2.2 计算模型

采用大型有限元分析软件Midas Civil建立桥梁的两种有限元模型。运用空间三维梁单元离散桥梁结构的主梁及桥墩。其中, 主梁分为68个单元, 桥墩分为12个单元。建立以下两种有限元模型如图2所示 (模型中均未考虑桩土效应) 。

模型1:在左墩顶设置固定支座, 右墩顶设置滑动支座。在Midas Civil中用线性弹簧连接主梁与墩顶, 模拟工程中常用的板式橡胶支座。

模型2:在左墩墩顶设置固定支座, 在右墩墩顶和梁体之间加设粘弹性阻尼器, 使活动墩和梁体互相牵制, 将两墩的内力重分配, 有效地减小桥梁纵向位移, 达到减震的目的。在有限元模型中用粘弹性消能器模拟粘弹性阻尼器, 如图3。

荷载组合:连续梁桥以横桥向与纵桥向响应为主, 竖桥向响应对桥梁的影响不大, 故只需定义桥梁纵向与横向两种反应谱荷载工况, 而不需考虑竖向地震作用。在两种有限元模型中分析的荷载组合为:1.0×横向响应+1.0×纵向响应。

为反映桥梁实际受力情况, 在有限元模型中输入了承担大部分荷载的预应力钢束。主梁中共布置了88根预应力钢束, 其中边跨底板筋22根、边跨顶板筋6根、顶板筋26根、腹板筋22根、中跨底板筋11根、中跨顶板筋1根。预应力钢束布置情况如图4 (图4为桥梁左半跨的预应力钢束布置图, 右半跨与左半跨呈镜像对称布置) 。

2.3 桥梁地震响应分析

用振型分解反应谱法对上述计算模型进行结构抗震分析, 地震荷载参数为:基本烈度7度 (地震加速度峰值为0.15g) ;场地类别Ⅱ类;重要性修正系数1.3;综合影响系数0.33;最大周期6s。

运用Ritz向量法进行结构的模态分析, 考虑前15阶振型。表1中列出了模型1与模型2的前四阶自振频率。

注:表中变化幅度定义为模型2各阶频率与模型1各阶频率的比值

由表1可知设置阻尼器的模型2中, 粘弹性阻尼器的附加刚度较小, 对结构的动力特性基本没有影响。

对于连续梁桥来说, 在地震力的作用下内力最大截面为固定墩墩底, 位移最大处为纵桥向墩顶。反应谱分析结果如表2示。

注:表中减震系数定义为模型2结构响应与模型1结构响应的比值

由表2可知设有粘弹性阻尼器的模型二中墩底内力、墩顶位移均有大幅度减小, 尤其以墩底弯矩减幅最大, 约25%。

3结论

通过对某大跨连续梁桥活动墩墩顶加设粘弹性阻尼器减震效果的研究表明:

(1) 在桥梁活动墩的墩顶设置粘弹性阻尼器可使活动墩分担一部分固定墩的地震力作用, 平均固定墩与活动墩所受的地震力, 有利于结构设计, 是解决大跨度桥梁抗震问题的一个有效措施。

(2) 粘弹性阻尼器的附加刚度较小, 对结构的动力特性基本没有影响。

(3) 加设粘弹性阻尼器能有效减小大跨度梁桥的地震响应, 特别是降低了墩底弯矩、墩顶位移。

参考文献

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社, 2010:482-567.

[2]周云.粘滞阻尼减震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2006.

[3]王志强, 胡世德, 范立础.东海大桥粘滞阻尼器参数研究[J].中国公路学报, 2015, 18 (3) :57-62.

[4]张文学, 黄荐, 王景景.斜拉桥面相对高度对粘滞阻尼器减震效果影响研究[J].振动与冲击, 2015, 34 (16) :43-47.

[5]徐秀丽, 于兰珍, 王曙光, 刘伟庆, 李升玉.高墩连续梁桥减震设计研究[J].工程抗震与加固改造, 2013, 27 (5) :63-67.

减震效果篇7

修建在地震活动区的山岭隧道需同时考虑其承受静力荷载和地震荷载的作用[1],由于山岭隧道一般埋深较大,受周边围岩约束,有利于抵抗地震的破坏[2,3,4]。从以往的记录来看,相对地面建筑,隧道受到的震害较轻[5,6,7,8,9,10]。然而,在近年来的几次大地震中,许多隧道都受到了较为严重的破坏,如1999年的台湾集集大地震和2008年的汶川大地震等。许多专家和学者对山岭隧道震害进行了研究和分析,并形成了文件[11,12,13]。1984年国际隧道协会在加拉加斯召开会议,会议的主题为地下工程地震效应。1987年和2001年国际隧道协会公布了两篇研究报告,分别为“地下工程结构抗减震设计”和“地下工程结构抗震设计及分析”。W.L.Wang对台湾中部发生集集地震后的57条隧道进行了震害调查研究,其中49条受到破坏[14,15]。1995 年阪神地震则造成灾区内10%的山岭隧道受到严重破坏。

根据几次大地震作用下山岭隧道震害调查结果,认为隧道破坏主要有如下两种形式[16,17,18,19,20,21,22]:山岭隧道洞口离边坡较近时,地震过程中由于边坡失稳崩塌而导致洞口破坏;山岭隧道通过活动断层时,隧道受到断层错动作用发生的剪切破坏[23]。

在大量的隧道建设中,特别是长大隧道,不可避免地会在活断层附近和高烈度地震区修建。尤其在我国西部地区,由于地震活动频繁,断裂构造普遍存在,地形高差大,地震烈度高,风化作用强烈,地质灾害严重,是我国主要的造山带和地震带之一。这些地区多处于高山峡谷中,隧道所占比重较大,穿越断层的情况很多,如雅泸高速公路泥巴山隧道共穿越15条断层;川藏公路高黎贡山隧道及成九线邓家坪隧道、龙门山隧道、岷山隧道等均穿越多条活动断层。

1 高压缩性混凝土及减震结构

在修建隧道过程中,如果不可避免地要通过活动断层,那么必须采取必要的抗减震措施。本研究提出了一种新型的减震结构,由平滑层、吸收层、接头、消除摩擦层4个部分构成。平滑层抗弯刚度大,即为钢筋混凝土衬砌,如图1所示。吸收层设置在抗弯刚性高的平滑层和围岩之间,要具有稳定地支持衬砌的高刚性,但在断层位移时为了能够吸收断层的错动位移,其也要具有很高的压缩性。因此,提议采用高压缩性混凝土作为吸收层材料。

断层位移过程中,抗弯刚度高的平滑层(衬砌)和压缩柔软的吸收层(高压缩性混凝土)的减震结构可达到连续缓和局部变形的效果。

2 数值解析

2.1 计算模式

所选三维模型尺寸为200m×60m×60m,隧道类型为圆形,外径为11m,内径为10m,衬砌厚度取0.5m,如图2所示。隧道与断层成90°夹角,高压缩性混凝土宽1.0m,高11m,长70m,施加在离断层相距70m的范围内,如图3所示。模型有63444个格点,58681个单元。

2.2 计算条件

模型岩土介质采用摩尔-库伦本构关系。体积弹性模量K=2.3GPa,剪切弹性模量K=2.86GPa,密度为2300kg/m3,断层模拟采用弱断层法实现。模型边界四周为自由边界,上部自由表面节点自由,力学阻尼采用瑞利阻尼中的质量阻尼;在模型底部施加动力荷载,动力荷载为天津波加速度时程曲线,如图4所示,动力荷载所施加的方向为垂直洞轴的水平振动(沿x轴方向激振)。

2.3 评价项目

(1)抗拉承载力Nu、抗压承载力Nu

对于本研究可利用FLAC3D分别监控隧道轴向所受拉力,隧道轴向压力以及衬砌环向轴向压力,使得隧道轴向所受拉力不应大于使隧道被拉断的最大拉力,隧道轴向压力不应产生使其压溃的压力,衬砌环向轴向压力不应大于使衬砌结构产生垮塌的压力。

(2)最大弯矩Mmax

为使隧道不发生弯曲破坏,最大弯矩Mmax应小于衬砌结构最大抗弯弯矩Mu。

(3)最大、最小剪力Smax、Smin

为使隧道不发生剪切破坏,最大剪力Smax和最小剪力Smin的绝对值要小于剪切承载力Vd。

3 解析结果

3.1 与隧道轴垂直方向的位移v

图5为隧道与断层直交时(α=90°)位移v的分布。采用高压缩性混凝土作为吸收层比不采用减震措施时断层处的最大位移明显降低,说明高压缩性混凝土能有效被压溃从而达到缓冲瞬间荷载和位移的作用,减小衬砌结构受力峰值。

3.2 最大弯矩Mmax

图6为交角α=90°时的弯矩分布。采用高压缩性混凝土作为吸收层时,在断层附近弯矩的突变得到明显的缓和,最大弯矩Mmax在施加了高压缩性混凝土后得到了明显的降低,降为未施加高压缩性混凝土情况下的42.9%,而在施加了高压缩性混凝土的别的区域里,结构所受弯矩略有提高,这是由于高压缩性混凝土前期拥有较大的刚度,从而提高了结构整体刚度,但对模型远端的影响很小,可忽略不计。

3.3 剪力S

图7为交角α=90°时的剪力分布。从图7可以看出,在整个高性能混凝土的施作段,剪力值分布更加均匀,剪力值变化更为平缓,并显著降低了最大剪力Smax,使其减小到未施加高性能混凝土时的4.7%。

3.4 轴力N

图8为交角α=90°时的剪力分布。在采用了高性能混凝土作为吸收层的情况下,最大轴力Nmax得到了明显的降低,降低到未施加高性能混凝土时的17.3%,且在整个高性能混凝土的施作段里,轴力值的分布趋于均匀,轴力值变化趋于缓和。

3.5 前后对比

将使用高压缩性混凝土作为吸收层前后的最大弯矩值、最大剪力值和最大轴力值数值模拟结果进行对比,计算所得内力值如表1所示。

4 结论

(1)使用高压缩性混凝土时,隧道剪力最大值比剪切承载力大,这时可通过增加抗剪钢筋量来解决抗剪问题。

(2)使用高压缩性混凝土时,弯矩和轴力的安全系数均超过1,能够缓和断层位移对隧道的损伤。由于初始屈服应力大,隧道受到来自吸收层的反力也大,因此可能发生弯曲破坏。