隧道纵向地震反应的三维数值仿真及行波效应研究

非一致地震作用下隧道纵向地震反应研究是进行隧道纵向行波效应对地下结构安全性影响的抗震评估的重要内容。针对上述问题，本课题系统梳理了隧道纵向非一致地震反应的数值计算方法。通过梳理了成层地基非一致地震反应的一维化时域算法和波动输入理论，完善非一致地震反应场地的三维数值模拟技术，据此建立地基-地下隧道系统纵向动力反应数值模型。通过数值算例验算了该方法的有效性。本项目同时考虑到饱和地基土两相介质的特点基于u-U方程研发了用于动力问题的粘弹性传输边界。运用上述方法分别针对由基岩向成层土地基斜入射的P波、SV波、SH波条件下隧道纵向地震反应特性进行系统的数值分析，综合讨论产生隧道纵向最不利地震反应的影响因素。本课题成果对进一步开展隧道纵向地震反应非线性精细化数值模拟，研究沉管隧道结构的整体地震反应机理等工程问题具有重要的参考意义。 2100433B

目前，针对地下隧道横断面的地震反应分析及简化设计方法已发展得较为完善，但对于非一致地震作用下隧道纵向的地震反应研究仍较少，有关理论和方法尚不完善，因而在抗震评估中难以有效判断隧道纵向行波效应对地下结构安全性的影响。针对上述问题，本课题计划通过梳理成层地基非一致地震反应的一维化时域算法和波动输入理论，完善非一致地震反应场地的三维数值模拟技术，据此建立地基-地下隧道系统纵向动力反应数值模型。在此基础上，分别针对由基岩向成层土地基斜入射的P波、SV波、SH波，以及地表附近形成的Rayleigh波条件下隧道纵向地震反应特性进行系统的数值分析，综合讨论产生隧道纵向最不利地震反应的影响因素，对已有隧道结构抗震简化设计方法提出改进建议。结合具体沉管隧道结构进行纵向地震反应非线性精细化数值模拟，研究沉管隧道结构的整体地震反应机理，对其抗震性能做出评价，并对类似沉管隧道工程提供参考。

隧道工程是重要的生命线工程，其抗震问题日益受到重视。本项目以隧道结构为研究重点，采用理论分析和数值模拟手段对隧道抗震问题进行深入研究。基于地震波斜入射时自由波场计算方法，编制非一致地震动输入辅助程序, 建立可考虑非一致地震动作用的隧道-地基系统动力相互作用分析模型，并以此发展非一致地震动作用下的隧道-地基动力有限元分析方法；对现有隧道纵向抗震实用分析方法进行综合比较，并对传统反应位移法进行改进，提出一种适用于隧道纵向抗震分析的整体式反应位移法；建立一种合理的模拟盾构隧道中管片与接头不连续性的分析模型，开展系统的数值模拟分析，研究盾构隧道动力反应影响参数、动力反应规律和破坏机理，并初步提出适用于隧道结构的抗震性能量化指标体系。项目工作对发展合理而可靠的隧道纵向抗震分析方法及完善隧道结构抗震设计理论均有重要意义。

隧道结构作为生命线工程的重要组成部分，一旦遭遇地震灾害，其破坏隐蔽、修复困难的弊端将会造成严重的经济损失和人员伤亡。本项目以隧道结构为研究重点，采用理论分析和数值模拟手段对隧道等长线型地下结构纵向抗震问题进行了深入研究。基于地震波斜入射时自由波场一维化时域算法，编制了非一致地震动输入辅助程序，发展了非一致地震动输入下隧道-地基系统动力时程分析方法；基于有限元离散化模型，完成了地下结构横向抗震分析整体式反应位移法的理论推导；在此基础上，提出了适用于隧道等长线型地下结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法，给出了根据自由场地震反应确定隧道纵向最不利变形和内力发生时刻的方法；并将此实用分析方法应用于大空间隧道结构以及埋置于非均匀场地中隧道结构的纵向抗震问题。项目工作对于发展隧道结构纵向地震反应分析方法，提高隧道结构地震安全性能、完善我国隧道结构抗震设计理论均具有重要意义。 2100433B