隧道对附近地面建筑结构地震反应的影响

李延涛，周占学

（1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000）

隧道对附近地面建筑结构地震反应的影响

李延涛1，周占学2

（1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000）

为探讨地下隧道对附近地面高层建筑地震反应的影响，对均匀场地下一高层框架结构进行了有限元分析，结果表明：隧道位于建筑下方时，对结构地震反应影响最大，使得结构的自振周期、位移加大而弯矩变小；隧道位于其他位置时，对结构反应的影响并非简单地随距离的增大而减小，而是表现出一定的波动性；隧道对结构地下部分地震反应的影响很小．

隧道；高层建筑；抗震性能；有限元

随着我国经济的迅速发展和城镇化的推进，地铁、防空洞等地下空间的开发利用正大规模展开，很多建筑物建设于地下隧道附近，且近距离穿越结构物的现象明显增多．以往的研究大多集中于隧道结构本身的地震反应，而对临近地面的建筑抗震性能的影响则研究较少．研究表明，地震波在传播过程中将与隧道发生相互作用，从而使得隧道表面任何一点成为一个新的波源，这些新的波源向各个方向发出次生波，形成地震波的散射，进而对附近地面建筑地震反应产生影响[1-7]．

本文采用有限元方法对隧道附近地面高层建筑结构的地震反应进行研究，分析隧道与地上建筑的水平距离，对建筑结构地震反应的影响．

1 结构计算模型及相关参数

计算模型土层参数相同，土体和结构均采用平面应变单元进行模拟分析，左右边界为粘-弹性人工边界，下部为基岩 ．分析场地长度为 150m ，深度为 30m ，为均匀场地，弹性模量为 40 ×108Pa ，泊松比为 0.3密度为 2049 kg/m3．地面建筑为钢筋混凝土框架结构，地下 2 层，地上为 10 层，跨度为 10m ，层高为 3m ．取一榀双跨框架计算，钢筋混凝土密度为 2 500 kg/m3，泊松比为 0.2，弹性模量为 4.83 × 1010Pa．隧道直径为 10m，位于地下 15m处．考虑 5 种工况进行分析，工况 1 为附近无隧道的建筑结构，工况 2、3、4、5 分别为隧道中心与地面建筑中心线的水平距离：0m、10m、20m 、30m．有限元网格划分如图1 所示，网格尺寸按照剪切波速确定，两侧为粘弹性人工边界，采用弹簧阻尼单元模拟，土体下部为固定．

输入的地震波为El Centro波南北向，从基岩水平输入．为便于比较，将ElCentro 波加速度峰值调整到 0.1g，如图2所示．

图1 隧道与建筑结构有限元模型Fig.1 Finiteelementmodelof tunneland structure system

图2 EI-Centro 波峰值调整至 0.1 gFig.2 EI-Centrowavew ith 0.1 g peak value

2 隧道对建筑结构频率的影响

5种工况下框架结构各阶振型频率计算结果如表1及图3所示．

表1 各阶振型频率Tab.1 Each ordermodal frequency

图3 框架结构各阶频率Fig.3 Frequency of structure

可见，隧道位置位于结构体系正下方，即工况 2时结构频率下降较多，而其他情况下与工况 1（无隧道）比较接近．工况 2 与无隧洞情况相比，自振频率最多下降达 70% ．

3 隧道对建筑结构位移的影响

5 种工况下结构各层位移峰值计算结果如图4，位移时程反应如图5．

图4为各工况下结构各层左跨梁右端位移峰值曲线，图5为各工况下结构顶层左跨梁右端位移时程曲线，本时程图中截取了 1 ～ 10 s的时间段．

图4 各工况下结构位移峰值Fig.4 Displacementof thestructure

图5 各工况下结构顶层位移时程曲线Fig.5 The top floor displacement timehistory curve

由图4和图5可见，隧道对结构位移的影响，大致分为3组相似的曲线：工况2（即位于结构中心正下方）为第 1 组，比工况 1 大 90%；工况 3 与工况 5 为第 2 组，其平均值比工况 1 大 50%；工况 4 为第 3 组，比工况 1大 5%．可见，隧道与地面建筑结构的水平距离，对结构位移反应有很大影响，隧道位于结构正下方时，对结构的位移反应影响最大，其他位置结构位移反应相对较小，但应注意结构位移大小并非简单地随距离的增大而减小，而是表现出一定的跳跃性．另外隧道位置对结构地下部分位移反应的影响很小．从图5的位移时程反应可见，隧道位于结构正下方时，其顶层位移反应峰值主要于地震后期出现．

4 隧道对建筑结构内力的影响

5种工况下结构体系各层左跨梁右端弯矩峰值计算结果如图6，顶层左跨梁右端弯矩时程反应如图7所示．

图6为各工况下结构各层左跨梁右端弯矩峰值曲线，图7为各工况下结构顶层左跨梁右端弯矩时程曲线．

图7 各工况下结构顶层梁弯矩时程曲线Fig.7 The top floor bendingmoment timehistory curve

由图6 和图7可见，隧道对结构弯矩影响，大致也分为 3 组相似曲线：工况 2（即位于结构中心正下方）为第 1 组，其与工况 1（无隧道情况）数值相差最大，二者数值相差平均为 93% ；工况 3 与工况 5 为第 2组，其与工况 1 数值相差较大，二者数值相差平均为 41%；工况 4 为第 3 组，与工况 1 相差平均为 1%．可见，与结构位移反应相似，隧道水平位置对结构中间弯矩有很大影响，隧道位于结构正下方时弯矩最小，其他位置结构弯矩数值相对较大，但应注意隧道距建筑为其直径时与无隧道情况很接近，弯矩数值变化表现出一定的波动性．另外隧道位置对结构地下部分弯矩的影响较小．

5 不同地震波对建筑结构的影响

为考虑不同地震波输入对建筑结构体系的影响，这里选择天津波从基岩水平输入，同样将天津波加速度峰值调整到 0.1g ．5 种工况下结构各层位移峰值计算结果如图8．

由图8可见，输入天津波时，隧道对结构位移的影响：工况 3（即位于结构角部）比工况 1 大 61% ；其他工况与工况1相差不大．可见，尽管输入不同地震波，总体而言隧道位于结构下方时，对结构的位移反应影响最大，其他位置结构位移反应相对较小．另外此时隧道位置同样对结构地下部分位移反应的影响很小．

图8 输入天津波时各工况下结构位移峰值Fig.8 Displacementof the structurewhen tianjinwave

6 结论

1）隧道位于建筑物下方时，对结构地震反应影响最大．此时，隧道与建筑结构相互作用最强烈，整个结构体系的自振周期明显增大，使得结构的位移加大而内力变小．

2）隧道位于其他位置时对结构地震反应影响相对较小，但对结构反应的影响并非简单地随距离的增大而减小，而是表现出一定的波动性．

3）隧道位置对结构地下部分地震反应的影响很小．

[1] 李方杰，赵凤新，张郁山，等．相对位置的地上结构对地铁地下结构地震反应的影响 [J]．中国地震，2010，26（2）：201-209．

[2] 王振宇，刘晶波．成层地基非线性波动问题人工边界与波动输入研究 [J]．岩石力学与工程学报，2004，23（7）：1169-1173．

[3] 陈国兴，庄海洋，徐烨．软弱地基浅埋隧洞对场地设计地震动的影响 [J]．岩土工程学 报，2004，26（6）：739-744．

[4] 朱逢斌，杨平．城市隧道及邻近地下结构施工相互作用及其影响的研究 [J]．铁道建筑，2007（2）：48-51．

[5] 何伟，陈健云，于品清．地下结构开发对场地地表反应谱影响研究 [J]．地下空间与工程学报，2009，5（6）：1099-1114．

[6] 梁建文，纪晓东，VincentW Lee．地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响 （2）：数值结果 [J]．岩土力学，2005，26（5）：687-692．

[7]TodorovskaMaria I，TrifunacM ihailo D，Lee VincentW.Synthetic earthquakegroundmotions for the design of long structures[C]//International Efforts in Lifeline Earthquake Engineering．ASCE，2013：592-599．

[责任编辑 杨 屹]

Effectof tunnelon seism ic response of adjacent surface building structure

LIYan-tao1，ZHOU Zhan-xue2
(1.Schoolof CivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China；2.Schoolof Civil Engineering,Hebei University of Architecture,HebeiZhangjiakou 075000,China)

To investigate theeffectofunderlying tunnelon seism ic responseofadjacentsurfacebuilding structures,analysis via finite elementmethod for certain high-rise frame structure on the uniform stratum has been carried out.The numerical resultsshowed that themaximum influenceon seism ic responseof structuresoccurwhen tunnel is just located below it,thatis to say,fundamentalperiod and displacementof structure increase significantly,butbendingmomentsdecrease.For tunnel located faraway surface structures,the affecting extenton seism ic response doesn'talways decrease w ith increaseof the distancebetween tunneland structures,buttends to bea certain degreeof volatility.The tunnel w ill have little impacton seismic response of the underground partofbuilding structures.

tunnel;high-rise buildings;seism ic performance;finiteelementanalysis

1007-2373(2014)05-0097-04

TU973.2

A

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.019

2014-07-20

河北省教育厅自然科学重点项目（ZH2011219）；河北省住建厅项目（2006-136）

李延涛（1963-），男（汉族），教授．