相邻孔洞间距对其结构的地震响应影响分析

材料取围岩级别为三级的白云岩、灰岩混合岩性材料，其弹性模量为27.5GPa，泊松比取0.26，密度取2720Kg/m3。考虑到用土模拟山体，为了简便运算故在结构的左右以及下方施加固定约束。结构的重力加速度取9.81，建立结构模型。

二、计算模型

在ANSYS中建立好结构模型，设置好材料参数，加上约束，加上重力加速度，然后划分网格单元即得到了有限元模型，其中共有137034个边长为3的空间四面体单元。

空间问题4节点四面体单元具有几何特征简单、描述能力强的特点，是空间问题有限元分析中最基础的单元，也是最重要的单元之一。

该单元为由4节点组成的四面体单元（tetrahe-dron element），每个节点有3个位移（即三个自由度），单元的节点及节点位移。

该单元有4个节点，单元的节点位移有12个自由度（DOF）。因此每个方向的位移场可以设定4个待定系数，根据节点个数以及确定位移模式的基本原则（从低阶到高阶的完备性、唯一确定性），选取该单元的位移模式。由节点条件，在x=xi，y=yi，z=zi处，有单元应变场的表达。

由弹性力学中空间问题的物理方程可以得到应力场的表达

三、地震动力的输入

在ANSYS里做地震分析时，需要对结构施加地震惯性荷载。地震惯性力是通过加速度的方式输入进结构的，然后与结构的质量一起形成动力计算时的惯性荷载。本次使用的是迁安地震波，取10个单位时间作用点如下：

-7.529000E-01-1.701070E+01-7.688200E+00

-4.458000E+00-5.123800E+00-3.842300E+00

+2.956500E+00+3.099600E+00+7.999300E+00

+8.901400E+00+3.977000E-01-4.785600E+00

-1.956100E+00+4.750000E+00-2.131740E+01

-2.655800E+00+4.087400E+00+5.792000E+00

-1.970000E+00-6.221700E+00+1.451730E+01

-4.370800E+00-5.089400E+00+8.395800E+00

+6.097200E+00-1.133300E+00+1.762520E+01

+6.670000E-01-6.323000E-01-6.235400E+00

输入计算后观察结构的受力图。

四、不同间距的地震响应分析

为了观察不同间距对地震响应的影响，本次共建立了隧道孔洞间距分别为9米，12米，15米，18米，21米，24米，27米，30米，33米，36米，39米，42米，45米，48米，51米，54米共16个模型，并计算其地震响应。考虑到是山土模拟地震，故结果分析主要采用第三强度理论。

表1 双孔各点最大应力变化图（单位：N）

间距/点号1234

93063200225788015548702335340

122932660 233423015621702423310

152714090252198015194802281910

182328800240012013897602333450

212307600237430011762202562400

242084020243395011015902652660

27171380023670109513502746400

30157882024854609229402784350

33151378026349309644702806760

36130272027080308427703020850

39128548027486309361602988800

421201890276826010492802860180

451205450289124010289002739810

481266870290056011667202641850

511264750279518011184802429360

541296160279804010598002146910

将16个模型的应力云图结合起来可得双孔整体应力变化图。为了去除应力分布对双孔结构的影响，再次建立16个单孔模型，用于与双孔模型对比，加载地震作用后可以得到单孔整体应力变化图。

在共32个单、双孔模型中对以上四个点进行时程分析，取其地震过程中最大应力值并记录对比，见下表1，表2。

表2 单孔各点最大应力变化图（单位：N）

间距/点号1234

93152100231222018511902298290

123002270234399016770102447830

152757800243260016220002440180

182563820237362014030602419320

212383090236766013530602534650

242097260221498010251902614800

271880160230675010278902568110

30158206024127309330692761030

33149761023743708699602903420

361321720240566010651802900840

39130063026863909065102814800

42116301028834509724602847440

45115749027924009742002763650

481190320286775010334402503210

511271610291749011533702413310

541387570291952010728702202750

五、结论分析

对得出的结果进行分析，可以看到双孔隧道同一位置受到的最大切应力的变化量随着孔间距的增加而减少，并且随着间距的增大逐渐开始向单孔的力学数据相靠拢。

参考文献

[1] 中铁二局集团有限公司.铁路隧道设计规范TB10003-2005[S].

[2] 孙文，梁国庆等.深埋公路隧道在双向地震作用下的最大动力反应分析[J].西北地震学报，2012（04）.

[3] 柴颖鹏.浅谈隧道施工中的关键要素[J].山西建筑，2008，34（12）.

[4] 张鸿，张向荣.洞体间距对隧道地震响应的影响分析[J].山西建筑，2010（08）.

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