高速铁路桥隧搭接结构地震动力响应试验研究

摘要

近年来，随着中国经济的腾飞，我国西部地区高速铁路建设得到了迅猛发展。由于西部地区地形条件复杂，因而，在山岭地区的高速铁路建设中，常采用桥梁与隧道相互搭接的连接形式。由于我国西部地区多为地震灾害频发地段，建在软弱围岩中的桥隧搭接结构极易遭受严重破坏。桥隧搭接结构在强烈地震作用下，极易受到严重的损伤或破坏，并将造成人员伤亡和巨大的经济损失。因此，开展对桥隧搭接段的地震动力响应及抗震减灾措施的研究，具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。本文依托国家自然科学基金项目“基于损伤累积效应的桥隧搭接结构地震动力响应研究”(编号:51408617)，以沪-昆高速铁路中某分离式洞口桥隧搭接工程为研究背景，对高速铁路分离式桥隧搭接结构开展了相关的试验和理论研究。通过大型振动台试验和相应的理论分析，系统地探索了分离式洞口桥隧搭接段的地震动力响应规律。在此基础上，揭示了分离式洞口桥隧搭接段的地震破坏机理。本文的主要研究工作内容和取得的研究进展及创新结论如下。
　　一、本文的主要研究工作内容
　　1)基于相似理论，确定了主要物理量的相似常数，并依据试验要求与研究目标，设计并制作完成了相似比为1∶30的高速铁路分离式桥隧搭接结构模型;通过配比试验，确定了模型的混凝土相似材料参数;针对振动台试验中模型箱体边界的反射问题，采取了有效的隔离消能措施，减少或消除边界反射效应对试验结果的影响。
　　2)根据振动台对地震波输入的适应性和可靠性，分别选取了EI Centro波、汶川波及Kobe波等作为试验的输入地震波，并对未满足振动台适应性要求的输入波进行了滤波处理。在综合考虑地震波的类型、激振强度、加载方向及顺序等多因素影响的基础上，提出了合理的地震波加载方案。通过加载试验，分别测定了在不同的工况条件下，分离式桥隧搭接段各部位的加速度、动位移和动应变等。
　　3)通过对大型振动台模型试验结果分析，探索了高速铁路分离式桥隧搭接段在各种工况条件下的加速度、动位移和动应变的地震动力响应规律;研究了分离式桥隧搭接段在地震作用下隧道与桥台之间的相互影响规律;探讨并分析了分离式桥隧搭接的地震破坏机理及其抗震设防措施。
　　二、本文所取得的主要研究进展及创新结论
　　通过试验和理论研究，本文探明了在不同加载方向的地震波、不同激振强度的地震波和不同类型的地震波作用下，对桥隧搭接结构的加速度、动位移和动应变的影响规律;揭示了分离式桥隧搭接结构的地震破坏机理;提出了分离式桥隧搭接结构的抗震设防措施。
　　1)不同加载方向的地震波对加速度、动位移和动应变的影响规律
　　①在不同方向的地震波作用下，纵向地震波对桥隧搭接段的影响最大，竖向地震波对其影响最小。纵向或者横向地震波的参与对竖向地震波作用效果的影响较大，但竖向地震波对纵向或者横向水平地震波的作用效果的影响均较小。桥隧搭接段在地震荷载下的加速度动力响应，主要由水平方向的纵向波和横向波起主导作用。
　　②在不同方向地震波作用下，桥隧搭接段中出现最大纵向动位移的位置不同。在纵向地震波作用下，桥端位置处的纵向动位移值最大;在横向和竖向地震波作用下，扩大段衬砌拱顶位置处的纵向动位移值最大。
　　③在X向、XY双向和XZ双向加载条件下，扩大段近洞口衬砌上各测点动应变峰值，从拱脚到拱顶随高程呈现出先增大后减小的趋势。扩大段远洞口衬砌上各测点动应变峰值，从拱脚到拱顶随高程增大而增大。
　　④在有沿隧道轴向的地震波作用下，扩大段近洞口截面衬砌的动应变比扩大段远洞口截面衬砌的动应变大。因此，对扩大段近洞口处衬砌的抗震设防需要更加引起重视。
　　2)不同激振强度的地震波对加速度、动位移和动应变的影响规律
　　①桥隧搭接段各关键测点的横向和纵向加速度峰值随地震波激振强度的增大而增大，其加速度放大系数也均随地震波激振强度的增大而增大。桥隧搭接段各关键测点竖向加速度峰值随地震波激振强度的增大而增大，但加速度放大系数随地震波激振强度的增大而呈现出先增大后减小的趋势。
　　②不同激振强度作用下，扩大段衬砌各测点动位移随激振强度的增大而增大。其中，桥端的动位移最大。桥台顶和标准段仰拱的竖向动位移随激振强度增大而增大。其中，在桥台顶的动位移的增幅更大。标准段顶部土体和扩大段仰坡土体的竖向动位移也随激振强度增大而增大。在Amax小于0.4g时，标准段顶部土体动位移比扩大段仰坡土体动位移大，但二者的增大速率相近。在Amax大于0.4g时，扩大段仰坡土体位移大幅增大，动位移值超过标准段顶部土体的动位移值。
　　③桥隧搭接段扩大段的1-1截面和1-2截面衬砌各测点的动应变的正、负峰值随激振强度的增大而增大。在1-1截面（近洞口段）的衬砌中，拱肩位置处的动应变增长速率最大。在1-2截面（远洞口段）的衬砌中，拱腰位置处的动应变增长速率最大。这一规律说明，在扩大段中，近洞口段衬砌和远洞口段衬砌对地震强度的敏感部位是不一样的。
　　3)不同类型的地震波对加速度、动位移和动应变的影响规律
　　①桥隧搭接段在不同地震波作用下，各测点的加速度峰值及加速度放大系数变化趋势相近。横向加速度最大峰值均出现在桥台顶部位置，横向加速度最小峰值出现在桥梁跨中位置;竖向最大加速度峰值及其最大放大系数均出现在桥梁跨中位置。地震波类型对桥隧搭接段各位置的加速度峰值和加速度放大效应影响不大。
　　②在EI Centro波、San Fernando波和汶川波三种地震波中，EI Centro波对桥隧搭接段的Y向和Z向的动位移影响最大。而在EI Centro波、Kobe波和Taft波中，Taft波对桥隧搭接段的Y向和Z向的动位移影响最大。
　　③在EI Centro波(EI)、San Fernando(SF)波和汶川波(WC)等三种不同类型的地震波作用下，在扩大段衬砌近洞口断面和远洞口断面两个截面中，各测点的动应变发展趋势基本一致。即两个截面的动应变均随高程的增大而先增大后减小，在拱腰处的正、负动应变峰值最大。这一规律说明，地震波类型对桥隧搭接段的动应变影响较小。
　　综上所述，本文探索了高速铁路分离式桥隧搭接段在各种工况条件下的加速度、动位移和动应变的地震动力响应规律;研究了分离式桥隧搭接段在地震作用下隧道与桥台之间的相互影响规律;并最终揭示了高速铁路分离式桥隧搭接结构在不同地震作用下的动力响应机理。研究结果不但对探索桥隧搭接结构的地震响应规律具有重要的理论意义，也对桥隧搭接段的设计和施工，特别是对抗震设防具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 桥隧搭接段动力响应研究现状

1．2．2 隧道洞口段地震动力响应研究现状

1．3 现有研究中存在的主要问题

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究目标

1．4．3 技术路线

2 桥、隧结构震害特征和抗震分析方法

2．1 隧道震害及抗震方法研究

2．1．1 隧道震害特征

2．1．2 地下结构抗震设计计算方法综述

2．1．3 隧道洞口段地震峰值加速度确定方法研究

2．2 桥台震害及抗震方法研究

2．2．1 桥台震害特征

2．2．2 桥台破坏类型

2．2．3 桥台抗震设计方法研究

2．3 本章小节

3 高速铁路桥隧搭接段振动台模型试验设计

3．1 试验目的、方法和内容

3．1．1 试验目的

3．1．2 试验方法

3．1．3 试验内容

3．2．1 模型试验的相似性概念

3．2．2 模型试验相似理论

3．2．3 模型试验相似关系分析方法

3．2．4 模型试验相似关系设计基本原则

3．2．5 模型动力相似准则及相似常数

3．3 桥隧搭接段模型设计与制作

3．3．1 模型箱设计与边界处理

3．3．2 模型材料试验

3．3．3 模型制作与试验布置

3．4 振动台系统与测试元件

3．4．1 台振系统

3．4．2 数据采集仪

3．4．3 传感器与测点的布置

3．5 地震波处理及加载方案

3．5．1 地震波选择及处理

3．5．2 试验加载方案

3．6 主要测试内容

3．7 本章小结

4 高速铁路桥隧搭接段振动台试验结果及分析

4．1 概述

4．2 地震作用下桥隧搭接结构加速度响应特点

4．2．1 不同加载方式作用下桥隧搭接结构加速度响应特点

4．2．2 不同地震波作用下桥隧搭接结构加速度响应特点

4．2．3 不同激励强度作用下桥隧搭接结构加速度响应特点

4．3 地震作用下桥隧搭接结构动位移响应特点

4．3．1 不同加载方式作用下桥隧搭接结构的动位移特点

4．3．2 不同激振强度作用下桥隧搭接结构的动位移特点

4．3．3 不同地震波作用下桥隧搭接结构的动位移特点

4．4 地震作用下桥隧搭接结构动应变响应特点

4．4．1 不同加载方式下桥隧搭接段隧道衬砌动应变响应特点

4．4．2 不同激振强度下桥隧搭接段隧道衬砌动应变响应特点

4．4．3 不同地震波作用下桥隧搭接段隧道衬砌动应变响应特点

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文主要工作与结论

5．2 下一步研究工作展望

参考文献

附录

致谢