淺析地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震分析和設(shè)計中的問題

摘 要：目前我國還沒有系統(tǒng)完善的地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和專業(yè)的地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范，本文首先總結(jié)了我國地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計的現(xiàn)狀，圍繞地鐵設(shè)計當(dāng)中的幾個關(guān)鍵問題展開討論，問題包括：合理的地鐵工程結(jié)構(gòu)的動力分析模型；有效的結(jié)構(gòu)和土動力相互作用分析方法；地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)破壞模式和地鐵抗震性能的評估；地鐵工程結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施和地鐵穿過地震斷層時的設(shè)計和施工方法。這些問題的分析和討論有助于我國地鐵工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：地鐵 抗震設(shè)計 地下結(jié)構(gòu)

中圖分類號：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0059-01

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，城市交通的壓力也越來越大，地鐵以其高效、快速和清潔的優(yōu)點成為各大城市的選擇。到目前為止，我國已進(jìn)入了地鐵建設(shè)的黃金期。與此同時，必須認(rèn)識到地鐵工程也是城市生命線工程，地鐵工程的抗震問題是城市防災(zāi)減災(zāi)和抗震的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，國內(nèi)還沒有獨立的地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范，現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》在地鐵的抗震問題上只是做了簡單的規(guī)定，沒有對地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和歸納。出現(xiàn)這些問題的原因是由于人們對地下結(jié)構(gòu)的地震危害認(rèn)識不夠，對地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計不夠重視，客觀地說，地鐵等地下結(jié)構(gòu)的地震危害小于地上結(jié)構(gòu)，但是國外的地震災(zāi)害（如1995年日本阪神大地震）證明在地下底層發(fā)生較大位移或變形時，地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)同樣會發(fā)生很嚴(yán)重的災(zāi)害，地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計問題應(yīng)該重視。

目前對地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究主要是通過原型觀測、模型試驗及數(shù)值模擬進(jìn)行，由于抗震問題的復(fù)雜性，沒有哪一種方法能夠全面且真實的解釋和模擬地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的動力性能，而需要結(jié)合三種方法的結(jié)論進(jìn)行綜合比較分析。本文主要分析總結(jié)地鐵抗震分析設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題。

1 結(jié)構(gòu)和土相互作用的分析模型

在地震作用時，地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)和土?xí)霈F(xiàn)彈塑性和非線性的特點，相互之間的接觸有可能出現(xiàn)局部的滑移和脫離。因此，在建立結(jié)構(gòu)和土相互作用結(jié)構(gòu)模型時要考慮結(jié)構(gòu)材料的非線性、結(jié)構(gòu)和地基接觸的非線性、近場地基和遠(yuǎn)場地基的非線性等因素。目前對這幾種非線性的單個研究已經(jīng)很成熟，但是在實際工程中如何綜合利用這些非線性的研究成果來建立合理的地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的分析模型還要進(jìn)一步的討論。

地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)受到場地周圍地基地震反應(yīng)的影響十分顯著，在地震作用時，地鐵周圍的土特別是上層覆土的重力作用對地鐵結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，因此，如何在分析模型中體現(xiàn)地鐵地基的靜力作用和地基的半無限性也是一個很重要的問題。解決這一問題主要靠合理的設(shè)定靜力人工邊界和動力人工邊界，但是目前的邊界模型一般來說不適合應(yīng)用與地下結(jié)構(gòu)，很有必要發(fā)展一種對靜力分析及動力分析都可以適用的靜力—動力人工邊界，直接在邊界上輸入地震波，計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

2 結(jié)構(gòu)的地震破壞模式及抗震能力的評估

現(xiàn)在常用的動力時程分析方法適合分析地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)用這種方法進(jìn)行地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)評估和抗震設(shè)計時就有一些不足。地面建筑結(jié)構(gòu)主要通過驗算結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性變形來進(jìn)行抗震能力的評估，對于地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)來說，計算結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性變形也是十分必要的。相對地面結(jié)構(gòu)來說，在應(yīng)用地震時程分析方法對地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行計算時計算量很大，且計算的結(jié)果手地震波的影響也很大，計算結(jié)果應(yīng)用與rnVgiB19xN3I0TF76ai20b2DS+lRSNN2jUZsZJT8PQQ=地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時有困難。此外廣泛應(yīng)用于地上結(jié)構(gòu)抗震計算的靜力增量分析法和prnVgiB19xN3I0TF76ai20b2DS+lRSNN2jUZsZJT8PQQ=ush-over方法，受到地上結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律不同的影響，也無法適用于地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的抗震計算。此外，和地上結(jié)構(gòu)不同，地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)受到周圍地基的約束很大，地下結(jié)構(gòu)整體在發(fā)生很小的變形時，在局部會產(chǎn)生很大的內(nèi)力，不能把地上結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)受到地震作用時的內(nèi)力-變形規(guī)律和破壞模式，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗研究和理論分析，考慮地下結(jié)構(gòu)受到地基約束的特點，提出地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計和分析方法，建立地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)抗震性能的量化指標(biāo)體系，使地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計更加合理。

3 地鐵結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

目前，國內(nèi)對地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施沒有統(tǒng)一認(rèn)識和標(biāo)準(zhǔn)。有人認(rèn)為在地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)一同建造時，才需要按照地面結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)只有地下結(jié)構(gòu)時，地下結(jié)構(gòu)受到地基的約束較強(qiáng)，地震作用時不會有交變內(nèi)力出現(xiàn)，不需要對單建的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震構(gòu)造的設(shè)計。另一種觀點認(rèn)為地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)需要按照地面民用建筑的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行設(shè)計。總的來看，這兩種觀點都不全面，地下結(jié)構(gòu)不同于地上結(jié)構(gòu)，但是也不能忽視地震對地下結(jié)構(gòu)的破壞，而是應(yīng)該根據(jù)不同的施工方法和圍巖條件，計算分析地下結(jié)構(gòu)在地震作用時的破壞特點進(jìn)行有針對性的抗震構(gòu)造設(shè)計。抗震構(gòu)造是提高結(jié)構(gòu)在地震作用時整體抗震能力，增加結(jié)構(gòu)延性的重要手段，在一定的條件下，設(shè)置抗震構(gòu)造措施會比單一的提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)更加經(jīng)濟(jì)合理。地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造應(yīng)該重在改善結(jié)構(gòu)的薄弱部位，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，增加結(jié)構(gòu)的整體延性。

4 地鐵等地下結(jié)構(gòu)穿越地震斷層時的設(shè)計和施工

我國的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001要求建筑物的選址應(yīng)該避開地震斷層，防止地震作用時對結(jié)構(gòu)造成破壞。這一要求對地面建筑來說是合適可行的，但是對于地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)來說，穿越地震斷層有時候無法避免。目前我國有對地埋管線和地下管道等小斷面結(jié)構(gòu)穿越地震斷層的抗震設(shè)計研究，對地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的研究還不多。伴隨著在我國北京上海等大城市進(jìn)行的地震活動斷層的勘探，對地震斷層區(qū)域的掌握，有必要根據(jù)地震活動斷層的特點，對地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的抗震設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

5 結(jié)論

地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的造價高、設(shè)計使用周期長，是生命線工程，發(fā)生破壞時，造成的損失巨大，修復(fù)十分困難，造成的經(jīng)濟(jì)損失大。伴隨著我國地鐵建設(shè)高潮的來臨，有必要完善地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的抗震分析設(shè)計方法和抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)造，開展地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的抗震試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬都具有重要的工程應(yīng)用價值。

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