离心机振动试验研究地震作用下的隧道隔离层机制外文翻译资料

 2022-09-14 04:09

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离心机振动试验研究地震作用下的隧道隔离层机制

Z.Y. Chen H. Shen

摘 要

隔离层是提高地震作用下的隧道安全的措施之一，其在地震作用下的响应受到许多因素的影响，例如隧道的形状，隔离层的刚度以及输入地震动的特征等。然而，现有的对于这些参量对隔离层的抗震性能影响的认识还缺乏实验数据的支持。本篇论文聚焦于隔离层的机理，特别是输入运动的频率在外表面有隔离层的方形隧道抗震性能的效能。离心机振动试验在将隔离层视作地震抵抗措施的模拟隧道上执行，同时使用不同频率正弦波的输入地震动。实际记录的地震动，放大到大约15g的峰值加速度，作为底部输入的激励，以验证其效果。由于模型材料（铝合金）与原型结构材料（混凝土）的不同，相似的挠曲变形规则和相似的轴向变形规则并不能够同时满足。鉴于横截面力矩是影响动荷载作用下隧道安全的主要因素之一，相似的挠曲变形规则运用到模型上是可以接受的。结果表明在外表面有隔离层的隧道的弯曲应力低于没有隔离层的隧道，这表明隔离层对于降低弯矩，特别是拐角处的弯矩有积极作用。除此以外，隔离层对于隧道的加速度反应的频率成分几乎没有影响。此研究阐明了隔离层的缓冲减震作用机理，这也被证明是提高在地震中隧道安全的一种有效方法。

关键词：隧道 隔离层 减震 动态离心试验 输入运动频率

1 引言

隧道被广泛运用到供水、排污、公共交通运输与远程通讯等领域，也因此形成了基础设施的主要部分。近年来的地震事件例如日本阪神地震（1995）、台湾地震（1999）、土耳其迪兹杰地震（1999）、中国汶川地震（2008）都表明隧道在地震活跃地带易遭受无法恢复的破坏。修复那些在地震中毁坏的隧道既费时又费力，也需要大量的资金。因此如何提高地震中的隧道的安全性以及减小损失引发了广泛关注。

目前，结构控制，包括被动能量耗散、主动控制和地震隔离等都已经成功应用到地上结构。然而这种观念并没有被很好认识并运用到地下工程中，这主要是因为地下结构被周围的介质包围着。同时，地下结构的动态反应远不同于地上结构。因此能够有效运用到地上结构的用于改善其地震性能的措施可能并不能成功的运用到地下结构。离心机振动试验也一般用来研究这类问题。与振动台试验相比，通过施加N个g的离心加速度，动力离心机试验中的模型与原型结构具有相同的变形和破坏模式，可以在理论上完全再现土和结构真实的应力应变状态。因为这些原因，在岩土地震研究中，离心机振动试验更加高级复杂。一些离心机振动试验已经被运用到研究地震下的隧道响应。但大部分之前的研究主要是分析方法的验证，并呈现没有隔离层的隧道抗震性能关于输入运动特征的影响的数据。因为隔离层是一个相对较新的提高地震作用下隧道安全的措施，只有很少的研究是来探究有隔离层的隧道的动态反应。此外，这些研究也主要集中在输入运动的幅值对将隔离层作为措施的隧道响应的影响。

在对隧道的离心机振动试验中，输入运动通常是不同频率、振幅、持时的正弦波。隔离层的作用不仅与输入运动的振幅有关，还与其频率有关。相较于输入运动的单一频率，实际地震波的复杂性迫切要求一个对于不同频率的正弦波对于隔离层性能影响的全面研究，然而这样的试验从未做过。

此篇论文的目标是阐述隔离层的减震耗能机制，特别是说明隔离层的效能与输入运动的频率之间的关系。此外，通过大量的积累，离心机振动试验数据的提供将有助于进一步的参数研究。

2 离心机振动试验

2.1 试验设备

试验中使用的是同济大学的TLJ-50土工离心机和电动液压式振动台。振动台能够提供准确的50g的离心加速度振动，并且能够再现最大20g的振动加速度以及持时1s的正弦波和实际地震波。试验中使用的是尺寸为500mmtimes;400mmtimes;550mmde 层压盒，它由22个横截面为矩形的铝框架组成。这些框架能够在内轨上有摩擦的滑动。一种乳胶膜安置在内轨上用以阻止土体从两个框架的缝隙中漏出来。这种盒子的先进性在于在振动方向改变沙的形状，这也最低程度的减少了从边界反射来的P波。

2.2 试验程序

试验是在50g的离心加速度下进行的。相似比能够通过使用量纲分析得到。其中一部分见表1.进行了6次除了输入运动不同，其他条件均相同的试验。选择4个不同频率的正弦波作为输入运动来研究输入运动频率的影响。根据离心机动态试验比例法则，在模型比例上的频率/原结构上的频率=N（在现在的试验中：N=50）。上海地区由地震造成的地面运动频率范围在1到4Hz。因此由振动台产生的振动被设置在50-200Hz。为了分析在实际地震中隔离层对隧道地震响应的影响，另选择了两个有代表性的地震波，即El Centro波和Wolong 波也作为输入运动。输入运动的详细信息都显示在表2中。

表1

对于离心试验模型比例因素

参数

比例系数

量纲

数值

长度

1/n

L

1/50

面积

1/n2

L2

1/2500

体积

1/n3

L3

1/125000

应力

1

ML-1T-2

1

应变

1

1

1

质量

1/n3

M

1/125000

时程

1/n

T

1/50

速度

1

LT-1

1

加速度

N

LT-2

50

频率

n

1/T

50

表2

输入运动的详细信息

试验编号

输入运动

频率

振幅（g）

持时(s)

试验1

EQ-1

50

13.75

0.4

试验2

EQ-2

100

14.57

0.4

试验3

EQ-3

150

14.07

0.4

试验4

EQ-4

200

13.14

0.4

试验5

El-Centro

-

15.87

0.8

试验6

Wolong

-

11.08

0.8

图1显示了输入运动的时程，同时图2给了相关的频率成分的信息。这些图表明运用到模型台上的信号如果不是等幅的将会是不完全的谐波。频率成分将会

延伸，并且相对于设计频率会更大，因为接下来的一些频率只有到大约1000Hz以后才会出现。这些延伸频率成分不是由仪器记录下来的噪音，而是一种有效的能量成分并且坚决不能够过滤清除掉。从图2可以看到在模型比例上El Centro波和 Wolong波的频率主要分布在50—300Hz之间。

原型结构是一个横断面是矩形的混凝土盾构隧道，其边长D=6m，衬砌厚度t=0.35m。原型隧道的每一节一般是使用“三明治方法”构成的。也就是说，每一节是由里外的钢板组成，并在其间填充混凝土。表面的钢板与内混凝土通过钢钉牢固固定在一起。并且钢板的两面都设有钢接头用于节与节之间的连接。每节之间通过这些节接头由螺栓连接，就像环形盾构隧道一样。此外，隧道是通过交错排列组装起来的用以提高纵向刚度。考虑到每一节的接头对隧道刚度的影响，取折减系数mu=0.8，因此原型结构材料的杨氏模量减少到0.8times;35.5=28.4GPa。虽然这是经验处理的方法，但是在早期盾构隧道横截面的设计时有其合理性，并且同类的环形模型也经常使用这种方法。隧道衬砌模型采用铝合金，每个单元重2700kg/m3。混凝土的铝合金的力学性能列在表3中。

在试验中，输入运动为垂直传播的横向剪切波，并且只考虑横截面在横向的变形。隧道衬砌是一个壳体结构，能够承受轴向力和弯矩。相似的弯曲变形规则和相似的轴向变形规则可由公式（1）和（2）表示，分别是：

（1）

（2）

这里是正应力；是泊松比；h是厚度；E表示杨氏模量；n表示离心加速度。下标p和m表示原型和模型各自的参量。然而由于模型隧道与原型结构的材料差异，这两个公式并不能同时满足。鉴于抗弯承载力与弯曲变形是主要的安全因素，公式（1）用与参数转换。因此在承载能力极限状态下，抗弯承载力代表了一节隧道可能承受的弯矩，它可由ITA官方报道中计算得到。边长、厚度和，模型与原型结构的覆盖范围都列在表4中。

表3

原型结构和模型结构中的参数

项目

长度（m）

厚度（m）

原型结构

模型

6

0.12

0.35

0.005

表4

材料特性

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材料

E(GPa)

fyk(MPa)

fbk(MPa)

混凝土

35.5

0.2

-

0.35
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