一项用于评估填充结构因隧道开挖而产生的变形的数值研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A numerical study for assessing tunnelling-induced distortions of infilled structures

本研究通过两阶段分析法（TSAM）系统探讨砌体填充墙非线性对隧道开挖引起的框架结构响应影响，揭示偏心比、土-结构相互作用和界面摩擦系数等关键参数对结构性能的作用机理。弹性模型低估了填充墙的非线性变形特性，尤其是偏心比为0的对称工况下剪切扭曲角（β）和最大 tensile应变（?99t）的误差显著，提出改进的评估准则以提升隧道-土-结构相互作用（TSSI）分析精度。

　　在现代城市化进程加速的背景下，地下基础设施的建设日益频繁，特别是隧道工程。这些工程活动不可避免地会对周围的地层产生扰动，进而影响邻近建筑物的结构安全。因此，研究隧道施工对既有建筑的影响，尤其是通过隧道-土壤-结构相互作用（TSSI）来评估建筑物的响应，成为土木工程领域的重要课题。本研究聚焦于一种常见的建筑结构类型——带有砖砌填充墙的钢筋混凝土框架结构，探讨填充墙非线性行为对隧道施工引发结构响应的关键影响。为了更准确地模拟这一过程，研究采用了一种经过验证的两阶段分析方法（TSAM），并引入了一种经过校准的弹塑性本构模型来描述填充墙的行为。

传统方法在评估隧道施工对建筑结构的影响时，往往采用简化的弹性模型，将建筑物视为刚性结构，或者使用简化的梁和板模型来代表其行为。这种方法虽然便于计算，但忽略了建筑结构的真实几何形态和填充墙在结构中的重要作用。填充墙不仅增加了建筑的整体刚度，还在地震、风荷载以及隧道施工引起的侧向变形中发挥关键作用。由于填充墙的非线性特性，其在受力过程中会表现出塑性变形和损伤累积，这些因素在传统弹性模型中无法被准确捕捉。因此，有必要开发更精确的分析方法，以反映填充墙在隧道施工条件下的真实行为。

TSAM作为一种间接模拟方法，通过在数值模型中直接施加由隧道施工引起的地层变形，避免了对整个隧道开挖过程的建模。这种方法能够有效模拟地层变形对建筑物的影响，同时减少计算复杂度。TSAM的准确性已在多个研究中得到验证，特别是在模拟裸框架结构在隧道施工下的响应方面。然而，对于带有填充墙的框架结构，TSAM的应用仍存在一定的局限性，特别是在考虑填充墙的非线性行为时。因此，本研究在TSAM的基础上，进一步引入了弹塑性模型，以更真实地反映填充墙在隧道施工条件下的力学行为。

研究中采用的弹塑性模型能够模拟填充墙在受力过程中的非线性响应，包括其在不同荷载下的塑性变形和损伤累积。该模型的参数经过校准，能够准确描述填充墙在隧道施工引起的地层变形下的行为。通过将填充墙的非线性特性纳入分析，研究能够更精确地评估隧道施工对建筑物的潜在影响，特别是在结构变形和损伤评估方面。与传统弹性模型相比，弹塑性模型能够更好地捕捉填充墙在结构中的作用，尤其是在对称配置下，填充墙的塑性行为对结构响应的影响尤为显著。

为了进一步探讨填充墙非线性行为对建筑物响应的影响，研究还考虑了多种参数变化，包括建筑物的偏心率（e/B）、土壤-结构相互作用（μ_soil）以及框架-填充墙界面条件（μ_infill）。这些参数在隧道施工过程中对建筑物的响应具有重要影响，因此需要系统地分析它们对结构行为的影响。研究中，建筑物的偏心率被分为四种不同的情况，分别对应e/B为0、0.25、0.5和0.75，以评估偏心率对结构变形和损伤的敏感性。同时，土壤-结构相互作用和框架-填充墙界面条件也被纳入分析，通过调整摩擦系数，模拟从光滑到粗糙的界面条件变化。

研究结果表明，传统弹性模型在评估隧道施工引起的剪切变形（β）和拉伸应变（?_99_t）时存在显著低估。特别是在对称配置下，填充墙的塑性行为主导了结构的响应，因此，弹性模型无法准确反映填充墙在实际受力条件下的作用。通过引入弹塑性模型，研究能够更精确地评估填充墙在隧道施工条件下的非线性行为，从而提高结构响应预测的准确性。此外，研究还发现，建筑物的宽度对结构响应具有重要影响，因此，需要考虑不同宽度的框架结构在隧道施工条件下的表现。

为了支持实际工程应用，研究还提出了新的设计建议，以更全面地考虑填充墙的非线性行为。这些建议包括修改现有的设计包络线，使其能够更准确地反映填充墙在不同参数条件下的影响。通过这种方式，研究不仅提高了对隧道施工影响的评估精度，还增强了评估结果的可靠性，为实际工程中的结构设计和安全评估提供了重要的参考。

在实际工程中，隧道施工引起的地层变形可能导致建筑物的倾斜、裂缝以及局部结构损坏。因此，准确评估这些变形对建筑物的影响至关重要。本研究通过系统的参数分析，揭示了填充墙非线性行为在结构响应中的关键作用，并提出了改进现有评估框架的方法。这些方法不仅适用于现有建筑物的评估，也为未来建筑的设计提供了指导，特别是在考虑填充墙对结构刚度和强度的影响时。

研究还强调了土壤-结构相互作用和框架-填充墙界面条件在隧道施工影响评估中的重要性。土壤-结构相互作用的强度直接影响建筑物的沉降和变形模式，而框架-填充墙界面条件则决定了填充墙与框架之间的相互作用。通过调整摩擦系数，模拟不同界面条件下的相互作用，研究能够更全面地评估这些因素对结构行为的影响。此外，研究还考虑了建筑物的偏心率，通过改变填充墙的位置，模拟不同偏心条件下结构的响应。

在数值模拟中，研究采用ABAQUS软件平台，构建了详细的三维模型，以反映建筑物的真实几何形态。模型中包括填充墙的尺寸、柱的截面、楼板的厚度以及相邻柱和楼层之间的跨度。通过这种方式，研究能够更精确地模拟隧道施工引起的地层变形对建筑物的影响，同时考虑到填充墙在结构中的作用。此外，研究还进行了验证，将TSAM方法的结果与现有的实验数据和数值模拟结果进行了对比，确保了方法的准确性。

研究中还讨论了TSAM方法的局限性，特别是在忽略土壤塑性行为和框架元素的非线性响应方面。由于TSAM方法不考虑隧道开挖过程和土壤的非线性行为，可能导致对土壤-结构相互作用的相对刚度评估不准确，进而影响设计包络线的制定。此外，框架元素通常被建模为线弹性材料，忽略了其在隧道施工引起的变形下的潜在屈服行为。因此，研究建议在未来的分析中，应进一步考虑土壤和框架的非线性行为，以提高评估的全面性和准确性。

总的来说，本研究通过系统的参数分析和数值模拟，揭示了填充墙非线性行为在隧道施工影响评估中的关键作用，并提出了改进现有评估框架的方法。这些方法不仅提高了对隧道施工影响的预测精度，还为实际工程中的结构设计和安全评估提供了重要的参考。通过引入弹塑性模型，研究能够更真实地反映填充墙在实际受力条件下的行为，从而增强对隧道施工影响的评估能力。此外，研究还强调了建筑物偏心率、土壤-结构相互作用和框架-填充墙界面条件在评估中的重要性，为未来的研究和工程实践提供了新的视角和方法。