地震Rayleigh波作用下浅埋盾构隧洞衬砌的结构分析

摘要

地震Rayleigh波是SV波和P波与地表发生相互作用而产生的面波，它常导致浅埋地下结构物的破坏。然而，目前关于地震Rayleigh波作用下地下结构内力的闭合形式解的研究尚不成熟，计算其作用下盾构隧洞衬砌内力的成果更是鲜于发表。本文的研究正是基于此背景而开展的。 根据前人和课题组的已有研究成果，本文做了如下工作：（1）在将地震Rayleigh波假定为弹性半空间内沿水平向传播的简谐波的基础上，将其作用下浅埋圆形隧洞衬砌横向和纵向内力的闭合形式解推广至盾构隧洞结构型式，并编制了内力求解程序。此闭合形式解为盾构隧洞初步抗震设计提供了计算以任意角度入射的地震Rayleigh波作用下衬砌内力的计算式。（2）将盾构隧洞沿横、纵向简化为等效刚度梁结构，给出了计算上述闭合形式解中衬砌结构刚度的方法。在求解横向刚度有效率时，首先借助结构力学力法和虚功原理，详细推导了计算地震Rayleigh波作用下盾构隧洞衬砌“目标位置”处位移的计算式。然后基于等效刚度圆环思想，利用迭代等效方法求解了衬砌横向刚度有效率，并编制了迭代求解程序。在纵向等效刚度的求解中采用了志波由纪夫和川岛一彦的方法，并根据场地特点作了必要的修正。（3）为给初步抗震设计提供参考，基于圆形隧洞衬砌地震内力的极值表达式开展了衬砌内力影响因素的敏感性分析。其中，采用无量纲化方法，详细分析了两个主要复合变量——压缩比C和弯曲比F与无滑移和完全滑移两种极限状态下的衬砌最大横向地震内力间的关系；纵向地震内力影响因素的敏感性分析采用无量纲化方法，主要研究了衬砌混凝土弹性模量、衬砌厚度、围岩动剪切模量、地震Rayleigh波波速、地震Rayleigh波周期等与衬砌最大纵向地震内力及R1、R2间的关系。（4）运用本文的闭合形式解及等效刚度求解方法，计算了某电厂拟采用盾构工法建造的取水隧洞衬砌在地震Rayleigh波作用下的横、纵向内力。 研究表明：（1）通过本文方法可以计算地震Rayleigh波作用下盾构隧洞衬砌横、纵向内力，且从内力的闭合形式解可以获得最大内力值出现时刻Rayleigh波入射角度、最大内力值出现部位、时刻等信息。（2）在盾构隧洞初步抗震设计中考虑地震Rayleigh波作用时，横向刚度有效率的求解应分静、动两态分别进行计算，而不应采用统一值。（3）衬砌内力影响因素的敏感性分析所得规律明确。 本文所提供的计算地震Rayleigh波作用下浅埋盾构隧洞横、纵向地震内力的方法及思路可以用于初步抗震设计。

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