地鐵車(chē)站抗震設(shè)計(jì)探討

摘要:在神戶地鐵車(chē)站震害分析和地鐵車(chē)站的地震作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)目前地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)分析研究現(xiàn)狀和需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)地鐵車(chē)站抗震設(shè)計(jì)提出建議。

關(guān)鍵詞:地鐵車(chē)站;抗震設(shè)計(jì);地震反應(yīng)動(dòng)力分析

中圖分類(lèi)號(hào):U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3198(2010)02-0284-01

1 引言

近年來(lái)，隨著地下結(jié)構(gòu)數(shù)量的增多和地下結(jié)構(gòu)震害的頻繁出現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題日益受到人們的重視。特別是1995年日本阪神地震后，世界各國(guó)紛紛針對(duì)區(qū)間隧道和地鐵車(chē)站的震害，研究導(dǎo)致震害的主要原因，并據(jù)以建立分析理論，使得地下鐵道的抗震研究出現(xiàn)了前所未有的熱潮。

2 地鐵車(chē)站震害實(shí)例分析

在阪神地震中，神戶市地鐵多數(shù)車(chē)站有震害現(xiàn)象發(fā)生，尤其是大開(kāi)車(chē)站(Daikai Subway Station)和上澤車(chē)站(Kamisawa Station)，破壞最為嚴(yán)重，混凝土中柱開(kāi)裂倒塌、頂板和樓板斷裂坍塌、側(cè)墻開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象隨處可見(jiàn)。其他車(chē)站的中柱、頂板、樓板和側(cè)墻部位也有破壞現(xiàn)象，但總體來(lái)說(shuō)，破壞較為輕微。

該車(chē)站用明挖法于1964年建成，中間柱(400×1000㎜，﹫3.5m)約30根完全破壞，頂板下沉約3m，車(chē)站斷面變成M形，中柱上端或下端混凝土剝落，鋼筋屈曲。在線路方向及垂直方向上，軸向鋼筋鼓出，箍筋也有許多破壞的，在側(cè)墻的隅角部位也發(fā)生裂縫及變位但無(wú)顯著破壞。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)在阪神地震中出現(xiàn)的嚴(yán)重破壞進(jìn)行了許多研究，結(jié)果表明:(1)中柱是地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其抗震性能的設(shè)計(jì)應(yīng)引起重視;大開(kāi)車(chē)站的中柱是由于水平和豎向地震作用下產(chǎn)生了較大內(nèi)力，從而導(dǎo)致了整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的破壞;(2)直下型地震的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)破壞作用對(duì)地鐵車(chē)站的破壞很大;(3)采用沖量理論分析豎向地震作用對(duì)中柱破壞的影響，發(fā)現(xiàn)豎向地震動(dòng)作用下地下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的內(nèi)力比水平地震動(dòng)作用下產(chǎn)生的內(nèi)力還要大，這能較好的解釋中柱破壞的震害現(xiàn)象，說(shuō)明豎向地震作用對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的破壞有顯著影響。

3 地鐵車(chē)站震害機(jī)理分析

地鐵車(chē)站震害形態(tài)的差異與地震強(qiáng)度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地質(zhì)條件、車(chē)站結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w介質(zhì)的相對(duì)剛度及施工方法、施工的難易程度等有密切關(guān)系。根據(jù)以往地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)所表現(xiàn)的行為可知，地震的主要或次要效應(yīng)均可使車(chē)站結(jié)構(gòu)遭受破壞。該效應(yīng)包括兩個(gè)方面:第一種效應(yīng)是土體失穩(wěn)，指土體的變形、差異位移、震陷和液化。該類(lèi)型的破壞多數(shù)發(fā)生在水文地質(zhì)條件變化較大、斷層破碎帶、淺埋地段或車(chē)站結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于周?chē)翆觿偠鹊耐馏w介質(zhì)中，是目前公認(rèn)的主要破壞形式。第二種效應(yīng)是地震慣性力，指強(qiáng)烈的地層運(yùn)動(dòng)在結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的慣性力所造成的破壞。該類(lèi)型的破壞多數(shù)發(fā)生在淺埋或明挖的車(chē)站結(jié)構(gòu)，在這些地方地震慣性力的作用表現(xiàn)得比較明顯。除此之外，淺埋車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震破壞比深埋車(chē)站結(jié)構(gòu)發(fā)生的頻度和程度都要高很多，因?yàn)樵跍\埋地段可能受到上述雙重類(lèi)型的破壞作用。

地震工程學(xué)院胡聿賢認(rèn)為，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)，其抗震能力的重要問(wèn)題在于土體的地震變形和結(jié)構(gòu)對(duì)于這種變形的適應(yīng)性。所以地鐵車(chē)站抗震設(shè)計(jì)不但要求結(jié)構(gòu)在靜載和地震荷載作用下具有足夠的強(qiáng)度，而且能最大程度的吸收地震產(chǎn)生的變形。所以，地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)原則應(yīng)當(dāng)考慮這種破壞作用，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的韌性以吸收地震所產(chǎn)生的相位衍生應(yīng)力和強(qiáng)制變位，同時(shí)又不損害其承受靜載的能力。

4 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動(dòng)力分析

目前，我國(guó)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)基本是參照GBJ111—87《地鐵工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用地震系數(shù)法進(jìn)行的。地震系數(shù)法用于地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí)具有明顯的缺陷，比如按照地震系數(shù)法，作用在地下結(jié)構(gòu)的水平慣性力隨埋深的增加而增加，這與實(shí)際情況明顯不符。

強(qiáng)地震作用下，地下結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w質(zhì)可能呈現(xiàn)明顯的非線性、彈塑性狀態(tài)，地下結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸面還可能出現(xiàn)局部滑移、脫離等非連續(xù)變形現(xiàn)象，因此，一個(gè)合理的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型必須全面考慮四種非線性因素:結(jié)構(gòu)材料非線性、土-結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)接觸非線性、近場(chǎng)地土非線性與遠(yuǎn)場(chǎng)地土非線性，同時(shí)還應(yīng)該合理考慮周?chē)馏w半無(wú)限性的影響。目前對(duì)包括鋼筋混凝土等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料非線性性質(zhì)的研究相對(duì)成熟，土-結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)接觸非線性的研究也已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，針對(duì)土體半無(wú)限性及遠(yuǎn)場(chǎng)地土特性的模擬問(wèn)題已經(jīng)發(fā)展了多種動(dòng)力人工邊界，關(guān)于土的非線形問(wèn)題(尤其是動(dòng)力非線形問(wèn)題)的研究更是發(fā)展出幾十種動(dòng)力非線形本構(gòu)模型。目前雖然沒(méi)有任何一個(gè)模型具有廣泛的適用性，但針對(duì)具體問(wèn)題也不乏有合理而實(shí)用的選擇。

對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，周?chē)馏w特性對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震作用過(guò)程中，周?chē)馏w尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不容忽視的影響。如何合理的反映土體的靜力效應(yīng)及周?chē)馏w介質(zhì)半無(wú)限性的影響是一個(gè)比較重要的問(wèn)題。這一問(wèn)題的解決涉及到動(dòng)力人工邊界及靜力人工邊界的合理確定和設(shè)置。目前已有的動(dòng)力人工邊界一般不適用于土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析，不能很好的反映地下結(jié)構(gòu)周?chē)馏w的重力效應(yīng)對(duì)非線形結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。因而有必要發(fā)展一種對(duì)靜力分析和動(dòng)力分析均能適用的靜-動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界，并提出直接在靜-動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界上實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)的輸入方法。基于靜-動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界建立一個(gè)可考慮上覆土層的重力效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)地震作用有效輸入、合理反映結(jié)構(gòu)材料非線形、土-結(jié)構(gòu)動(dòng)接觸非線形、近場(chǎng)地土非線形與遠(yuǎn)場(chǎng)地土非線形等影響因素的理論分析模型是完善地下結(jié)構(gòu)靜力分析及地震反應(yīng)動(dòng)力分析的合理途徑。

5 結(jié)論

(1)地鐵車(chē)站作為城市軌道交通的重要組成部分，也是易于遭受地震災(zāi)害的結(jié)構(gòu)之一，應(yīng)納入抗震設(shè)防的重要范疇。目前，我國(guó)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法并不完善。

(2)豎向地震作用對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的破壞有顯著影響，中柱是地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。

(3)在強(qiáng)地震作用下，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力非線形相互作用不可避免。車(chē)站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動(dòng)力分析模型的建立是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

(4)在車(chē)站抗震設(shè)計(jì)中，按照不同的設(shè)計(jì)階段來(lái)選用不同的設(shè)計(jì)方法是比較合適的。具體的，在初步設(shè)計(jì)階段，抗震驗(yàn)算可應(yīng)用靜力法中的反應(yīng)位移模型和地震慣性模型結(jié)合進(jìn)行。而在施工圖設(shè)計(jì)階段，則應(yīng)用土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

總之，重新具體評(píng)價(jià)地鐵車(chē)站抗震安全性，加強(qiáng)研究地鐵車(chē)站的抗震性能，對(duì)地鐵車(chē)站抗震設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的建議和抗震措施，對(duì)于城市地鐵工程具有非常重要的意義。

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