CN116776435A - 一种盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于盾构隧道抗震设计领域，公开了一种盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法，按如下步骤实施：(1)基于盾构隧道纵向动力响应分析，构建盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库；(2)基于样本库，建立荷载‑环间张开量关联模型；(3)开展盾构隧道纵向多级损伤指标标定及盾构隧道性能阈值判定；(4)建立多级损伤指标关键阈值概率分布；(5)考虑不同置信区间和保证率，提出多级损伤指标阈值体系。本发明考虑盾构隧道地震后结构纵向性能，提出的方法有助于科学地建立具有一定概率保证率的盾构隧道纵向多级损伤指标体系，为今后相关的盾构隧道结构纵向抗震性能研究提供理论参考。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道抗震设计领域，具体涉及一种盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法。
背景技术
盾构隧道作为城市关键基础设施与重要生命线工程，绝大部分建设在强震活动区，面临着严峻的地震灾害的风险。历史震害表明，强震下隧道及其他地下结构也可能会产生不同程度的损伤破坏甚至倒塌，诱发各类次生灾害风险，最终造成严重的经济损失和人员伤亡，带来极大的负面社会影响。因此，充分认知隧道结构抗震性能显得日益迫切，对保障地震作用下隧道抗震安全具有重要意义。
地震易损性表达了结构在不同强度地震下发生各种破坏状态的条件概率，是定量评估结构抗震性能的有力手段，已在大坝、建筑、桥梁和管线等基础设施抗震风险评估中广泛采用。近年来，众多学者针对隧道地震易损性分析开展了大量研究并取得了一定成果(Argyroudis等，2012；杜修力等，2016；蒋家卫等，2021；丁祖德等，2020)。其中，隧道损伤指标及其分级标准是隧道地震易损性分析的关键因素，但目前已有研究中损伤指标的分级标准均是基于对规范中接头防水要求和抗震性能等级划分的定性分析确定，有关盾构隧道结构性能水准的划分与性能指标标定方面的基础工作却非常匮乏，未建立起定量的阈值分析方法。同时，目前地震易损性的研究多围绕隧道横向地震响应展开，隧道纵向地震易损性分析的研究起步较晚，大部分损伤指标仅适用于描述隧道横向损伤状态，隧道纵向地震损伤指标较少，且地震响应与纵向损伤指标之间并未建立合理的定量映射关系，缺乏盾构隧道纵向多级损伤指标及阈值体系。
发明内容
针对目前盾构隧道多级损伤指标阈值定量标定研究的不足，考虑盾构隧道地震后结构纵向性能，本发明提出了一种盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法，该方法有助于科学地建立具有一定概率保证率的盾构隧道纵向多级损伤指标体系，为今后相关的盾构隧道结构纵向抗震性能研究提供理论参考。
本发明采用以下技术方案：
一种盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法，按如下步骤实施：
(1)基于盾构隧道纵向动力响应分析，构建盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库。其中，通过建立的考虑空间变异性的地震动随机场模型生成大量地震波，在此基础上开展隧道纵向动力反应数值模拟分析。
(2)基于盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库，建立荷载-环间张开量关联模型。其中，纵向损伤指标为对盾构隧道结构破坏敏感、力学意义明确、可量化和易测量的单一指标，根据隧道纵向动力响应随机模拟结果确定。采用环间张开量作为盾构隧道纵向损伤指标。
(3)盾构隧道纵向多级损伤指标标定及盾构隧道性能阈值判定。其中，参考地上结构损伤性能水准划分与定义方法，结合抗震规范，建立盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述。基于荷载-环间张开量关联模型，利用几何作图法在该曲线上分别标定原点、混凝土开裂点、屈服荷载点、峰值荷载点以及极限荷载点。结合盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述，定义盾构隧道性能阈值判定准则。其中，环间张开量在原点-混凝土开裂点区间时，盾构隧道结构纵向性能处于正常使用状态，相应的阈值取混凝土开裂点对应的环间张开量；同理，可定义混凝土开裂点-屈服荷载点、屈服荷载点-峰值荷载点以及峰值荷载点-极限荷载点区间，盾构隧道结构纵向性能分别处于可以使用、修复后使用以及不能使用的功能状态，相应的阈值分别取屈服荷载点、峰值荷载点以及极限荷载点对应的环间张开量。
(4)基于概率统计法建立多级损伤指标关键阈值概率分布。选取多个盾构隧道工程进行纵向抗震分析，统计所有工程各性能状态下对应的环间张开量，研究各性能状态下环间张开量的总体分布性质，对样本数据进行参数检验，判断其是否服从正态分布，若样本数据不服从正态分布则采用概率学方法通过对应函数转换成正态分布。
(5)考虑不同置信区间和保证率，基于“均值、均值+标准差、均值-标准差”等临界值，提出多级损伤指标阈值体系。基于步骤(3)确定的盾构隧道性能阈值的判定准则与步骤(4)的计算结果，考虑工程上预留安全限值以及不同置信区间和保证率，结合环间张开量指标特征，以“均值-标准差”为临界值，提出多级损伤指标阈值体系。
与其他方法相比，本发明具有如下特点：
(1)该发明建立了盾构隧道纵向多级损伤指标体系，深化了盾构隧道地震易损性分析领域；
(2)该发明首次提出了盾构隧道纵向多级损伤指标阈值定量分析方法，弥补了目前研究中损伤指标分级的不足；
(3)使用该发明能够建立具有一定概率保证率的盾构隧道纵向多级损伤指标体系对于定量评估盾构隧道纵向地震易损性，指导盾构隧道抗震设计具有积极意义。
附图说明
图1为本发明盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法的流程图。
图2为本发明多级损伤指标标定方法概念图。
具体实施方式
下面详细介绍本发明的实施流程，参见图1，具体实施步骤如下：
(1)基于盾构隧道纵向动力响应分析，构建盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库。其中，通过建立的考虑空间变异性的地震动随机场模型生成大量地震波，在此基础上开展隧道纵向动力反应数值模拟分析。
(2)基于盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库，建立荷载-环间张开量关联模型。其中，纵向损伤指标为对盾构隧道结构破坏敏感、力学意义明确、可量化和易测量的单一指标，根据隧道纵向动力响应随机模拟结果确定。采用环间张开量作为盾构隧道纵向损伤指标。
(3)盾构隧道纵向多级损伤指标标定及盾构隧道性能阈值判定。其中，参考地上结构损伤性能水准划分与定义方法，结合抗震规范，建立盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述。基于荷载-环间张开量关联模型，利用几何作图法在该曲线上分别标定原点、混凝土开裂点、屈服荷载点、峰值荷载点以及极限荷载点。结合盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述，定义盾构隧道性能阈值判定准则。其中，环间张开量在原点-混凝土开裂点区间时，盾构隧道结构纵向性能处于正常使用状态，相应的阈值取混凝土开裂点对应的环间张开量；同理，可定义混凝土开裂点-屈服荷载点、屈服荷载点-峰值荷载点以及峰值荷载点-极限荷载点区间，盾构隧道结构纵向性能分别处于可以使用、修复后使用以及不能使用的功能状态，相应的阈值分别取屈服荷载点、峰值荷载点以及极限荷载点对应的环间张开量。
(4)基于概率统计法建立多级损伤指标关键阈值概率分布。选取多个盾构隧道工程进行纵向抗震分析，统计所有工程各性能状态下对应的环间张开量，研究各性能状态下环间张开量的总体分布性质，对样本数据进行参数检验，判断其是否服从正态分布，若样本数据不服从正态分布则采用概率学方法通过对应函数转换成正态分布。
(5)考虑不同置信区间和保证率，基于“均值、均值+标准差、均值-标准差”等临界值，提出多级损伤指标阈值体系。基于步骤(3)确定的盾构隧道性能阈值的判定准则与步骤(4)的计算结果，考虑工程上预留安全限值以及不同置信区间和保证率，结合环间张开量指标特征，以“均值-标准差”为临界值，提出多级损伤指标阈值体系。
下面通过实例进一步描述本发明。
某地区某区间浅埋盾构隧道为例：
步骤1，构建符合该地区场地特征的空间变异性地震动记录与合理的土体参数随机场，建立典型地层-盾构隧道纵向三维精细化非线性数值分析模型，开展盾构隧道纵向动力响应分析，根据隧道纵向动力响应随机模拟结果，结合隧道抗震规范和文献调研构建表征盾构隧道纵向抗震性能的损伤指标库，包含典型指标如结构环间接缝张开、纵向曲率、错台量、纵向沉降、弯矩、轴力与剪力等。
步骤2，选取对盾构隧道结构破坏敏感、力学意义明确、可量化和易测量的环间张开量作为盾构隧道纵向抗震性能损伤指标，基于盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库，建立荷载-纵向损伤指标性能关联模型(即荷载-环间张开量关联模型)。
步骤3，参考地上结构损伤性能水准划分与定义方法，结合抗震规范，建立盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述，如表1所示。
表1盾构隧道纵向损伤指标多级性能水准划分
基于荷载-环间张开量关联模型，利用几何作图法在该曲线上分别标定原点(O)、混凝土开裂点(A)、屈服荷载点(B)、峰值荷载点(C)以及极限荷载点(D)，如附图2所示。A点为曲线斜率变化率在10％界限处所对应的荷载；C点为盾构隧道结构的峰值荷载；确定A点与C点后，屈服点B可通过几何作图法获得；D点为盾构隧道结构承载能力退化至峰值荷载的85％所对应的荷载。结合盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述，定义盾构隧道性能阈值判定准则。其中，环间张开量在原点-混凝土开裂点(O-A)区间时，盾构隧道结构纵向性能处于正常使用状态，相应的阈值取混凝土开裂点对应的环间张开量(d1)；同理，可定义混凝土开裂点-屈服荷载点(A-B)、屈服荷载点-峰值荷载点(B-C)以及峰值荷载点-极限荷载点(C-D)区间，盾构隧道结构纵向性能分别处于可以使用、修复后使用以及不能使用的功能状态，相应的阈值分别取屈服荷载点、峰值荷载点以及极限荷载点对应的环间张开量(d2、d3、d4)。
步骤4，基于概率统计法建立多级损伤指标关键阈值概率分布。选取多个浅埋盾构隧道区间进行纵向抗震分析，统计所有工程各性能状态下对应的环间张开量(d1、d2、d3、d4)，研究各性能状态下环间张开量的总体分布性质，对样本数据进行参数检验，判断其是否服从正态分布，若样本数据不服从正态分布则采用概率学方法通过对应函数转换成正态分布。
步骤5，基于盾构隧道性能阈值的判定准则与计算结果，考虑工程上预留安全限值以及不同置信区间和保证率，结合环间张开量指标特征d(d1、d2、d3、d4)，以“均值μ-标准差σ”为临界值，提出多级损伤指标阈值体系，如表2所示。
表2盾构隧道纵向多级损伤指标阈值体系
| 性能水准 | 功能状态 | 多级纵向损伤指标d范围 |
| 1 | 正常使用 | 0≤d＜(μd1-σd1) |
| 2 | 可以使用 | (μd1-σd1)≤d＜(μd2-σd2) |
| 3 | 修复后使用 | (μd3-σd3)≤d＜(μd4-σd4) |
| 4 | 不能使用 | (μd4-σd4)≤d |
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (7)
1.一种盾构隧道纵向多级损伤指标阈值确定方法，其特征在于，按如下步骤实施：
(1)基于盾构隧道纵向动力响应分析，构建盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库；
(2)基于步骤(1)中盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库，建立荷载-环间张开量关联模型；其中，纵向损伤指标为对盾构隧道结构破坏敏感、力学意义明确、可量化和易测量的单一指标，根据隧道纵向动力响应随机模拟结果确定；
(3)盾构隧道纵向多级损伤指标标定及盾构隧道性能阈值判定；其中，结合混凝土开裂、屈服荷载点、峰值荷载点及极限荷载点关键临界点标定盾构隧道纵向多级损伤指标，基于步骤(2)荷载-环间张开量关联模型，利用几何作图法结合地上结构损伤性能水准划分与定义方法、抗震规范确定盾构隧道性能阈值的判定准则；
(4)基于概率统计法建立多级损伤指标关键阈值概率分布；
(5)考虑不同置信区间和保证率，基于“均值、均值+标准差、均值-标准差”临界值，提出多级损伤指标阈值体系。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤(1)中，具体的，通过建立的考虑空间变异性的地震动随机场模型生成大量地震波，在此基础上开展隧道纵向动力反应数值模拟分析，从而形成盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本，以构建盾构隧道纵向随机损伤指标与状态分布样本库。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用环间张开量作为盾构隧道纵向损伤指标。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤(3)中，参考地上结构损伤性能水准划分与定义方法，结合抗震规范，建立盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述；
盾构隧道纵向多级损伤指标通过几何作图法在荷载-环间张开量曲线上进行标定，分别标定原点(O)、混凝土开裂点(A)、屈服荷载点(B)、峰值荷载点(C)以及极限荷载点(D)，结合盾构隧道纵向损伤指标的多级性能水准与损伤状态定性描述，定义盾构隧道性能阈值判定准则；其中，环间张开量在原点-混凝土开裂点区间时，盾构隧道结构纵向性能处于正常使用状态，相应的阈值取混凝土开裂点对应的环间张开量；同理，定义混凝土开裂点-屈服荷载点、屈服荷载点-峰值荷载点以及峰值荷载点-极限荷载点区间，盾构隧道结构纵向性能分别处于“可以使用”、“修复后使用”以及“不能使用”的功能状态，相应的阈值分别取屈服荷载点、峰值荷载点以及极限荷载点对应的环间张开量。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤(4)中，选取多个盾构隧道工程进行纵向抗震分析，统计所有工程各性能状态下对应的环间张开量，得到环间张开量指标特征，对样本数据进行参数检验，采用概率学方法使不服从正态分布的数据通过对应函数转换后服从正态分布。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤(5)中：
基于步骤(3)确定的盾构隧道性能阈值的判定准则与步骤(4)的计算结果，考虑工程上预留安全限值以及不同置信区间和保证率，结合环间张开量指标特征，以“均值-标准差”为临界值，提出多级损伤指标阈值体系。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述多级损伤指标阈值体系为：
。
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