提高地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震能力的理論及數(shù)值研究

孫長成

摘要：以某地鐵站為例，利用有限元理論，應(yīng)用Midas-Gen軟件，對地鐵車站的抗震性能及地震反應(yīng)特性進(jìn)行分析。得出以下結(jié)論：地鐵車站圓尖角處彎矩大于圓拱處，二次襯砌與噴射混凝土軸力、彎矩情況大致相同，錨桿內(nèi)力較大值出現(xiàn)在拱部拱腳處；結(jié)構(gòu)的自振周期隨二次襯砌的增加而減小，位移變化則增大，車站結(jié)構(gòu)體系的自振周期隨車站的埋深增加而增大，體系位移變化減小。提出相應(yīng)的改善措施。

關(guān)鍵詞：地鐵站；抗震性能；地震反應(yīng)特性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對出行效率的要求越來高，地鐵以其運量大。效率高而倍受各地交通部門的青睞。因地鐵最先應(yīng)用于西方歐美國家，這些國家受震害相對較少，所以對地鐵抗震性能及地震反應(yīng)特性研究很不充分。1995年的阪神地震中，地鐵車站，尤其是大開車站，混凝土開裂，鋼筋屈服，頂板沉降嚴(yán)重，造成嚴(yán)重財產(chǎn)損失及交通癱瘓，更是給我們敲響了一個警鐘。眾多的震害教訓(xùn)表明：當(dāng)遭遇強烈地震時，車站周圍土體變形很大，地下車站薄弱部位發(fā)生破壞，進(jìn)而影響整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。我國地處歐亞大陸及環(huán)太平洋地震帶，受地震影響較為嚴(yán)重，因此研究地鐵站的抗震性能及特性，提高其抗震能力，顯得尤為重要。

1地下結(jié)構(gòu)-巖土動力反應(yīng)

在地下結(jié)構(gòu)中，地鐵車站結(jié)構(gòu)與周圍土體連成一個整體，從震源出發(fā)的地震波，通過周圍土體傳給地下車站而引發(fā)其震動，這時由車站結(jié)構(gòu)引發(fā)的慣性力如同形成一個新震源作用在場地土上，新的震動由此形成并反過來作用于地下結(jié)構(gòu)體系。兩個方面組成了地下結(jié)構(gòu)-巖土的相互作用體系：（1）運動相互作用，即相互作用的約束地震動；（2）慣性力引發(fā)的相互作用。

在遭遇地震作用的地下結(jié)構(gòu)變形與恢復(fù)力關(guān)系很難把握，我們通常將非線性的關(guān)系代之以分段線性化，受震動影響的結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化一般較小，通常視之為常量。隨地震變化的阻尼亦視之為常量。

2地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)數(shù)值模擬

2.1現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)分析

早在上世紀(jì)中期，地下結(jié)構(gòu)的地震作用的計算方式為靜力法計算，在十年后當(dāng)美國舊金山地區(qū)修建了地鐵快速輸送系統(tǒng)之后，傳統(tǒng)靜力法計算被替換為了BART方式，這種計算法則提出了地下結(jié)構(gòu)的延性（在吸收強變形之后產(chǎn)生的延性）并不會失去承受靜載的功能，而非對慣性力的抵抗。但這種思想也很快被70年代日本相關(guān)研究者提出的地基抗力法、應(yīng)變傳遞法以及反映位移法所取代。在上世紀(jì)80年代之后，相關(guān)研究基本上已經(jīng)廣泛使用了計算機技術(shù)并將其作為了研究的中堅力量；在此階段，地下結(jié)構(gòu)數(shù)值法出現(xiàn)并在短時間內(nèi)迅速發(fā)展，包含了混合法、子結(jié)構(gòu)法、有限元法以及抗震分析法等，具體情況如下：

地下結(jié)構(gòu)的抗震方法研究主要可以分為解析方法以及數(shù)值方法兩種，具體而言：解析方法包含了靜力法、BART法、反應(yīng)位移法、應(yīng)變傳遞法以及福季耶娃法；數(shù)值方法包含了子結(jié)構(gòu)法、有限元法以及混合法。

2.2一致地震動輸入

現(xiàn)如今對地鐵車站結(jié)構(gòu)在地震方面的研究大多是建立在一致地震動輸入基礎(chǔ)之上的。部分研究者利用了土壤與車站結(jié)構(gòu)之間起到的作用相互性復(fù)反應(yīng)區(qū)對FLUSH程序進(jìn)行分析，從而得出盾構(gòu)隧道以及地鐵地下車站的地震反應(yīng)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，影響地震反應(yīng)的參數(shù)主要有以下幾種：

2.2.1對于地鐵區(qū)域的地下車站而言，其結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)主要是依靠了由于地震作用造成的地基變形狀態(tài)，在變型反應(yīng)峰值方面以及場地自由場的變形峰值之間的反應(yīng)也已算作是存在一種線性關(guān)系。雖然相對于地上結(jié)構(gòu)而言，地鐵車站地震變型反應(yīng)相對偏小，但其能夠產(chǎn)生的內(nèi)力反應(yīng)仍舊處于較大程度。

2.2.2相對于將位移因素看作是地鐵地下結(jié)構(gòu)震動參數(shù)設(shè)計而言，將地面與基巖之間的水平峰值設(shè)定為地震動參數(shù)將更為合理，尤其是在地震加速度的設(shè)計方面。部分研究者采用了名為MSC.Marc這種有限元程序聯(lián)合THUFIBER這種纖維模型程序（適用于鋼筋混凝土）已經(jīng)實現(xiàn)了對水平地震反應(yīng)的實際操作分析，我國北京地鐵五號線中拱形單層三跨島式車站（崇文門站）便是利用了這一設(shè)計方法。

2.2.3對于地鐵隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)而言，其襯砌材料在結(jié)構(gòu)彈性模量方面對于地震反應(yīng)的變化程度并不強烈。另外，襯砌的厚度狀態(tài)對于地震變型反應(yīng)所產(chǎn)生的影響程度同樣不大，但在內(nèi)力反應(yīng)方面會受到相對較大的影響。并且當(dāng)盾構(gòu)隧道處于并行狀態(tài)時，地震反應(yīng)會隨著隧道間距的變化而變化，研究發(fā)現(xiàn)隧道之間的間距越大，受到的地震內(nèi)力反應(yīng)便會越小，兩者呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。

上述參數(shù)研究結(jié)果說明，相對于矩形斷面結(jié)構(gòu)而言，拱形斷面結(jié)構(gòu)能夠有效降低并緩解拱形頂板出現(xiàn)的彎矩；但由于軸力的提升，相對于車站中柱下端而言，上端會承受到的軸力彎矩上會更大，但在軸力方面相差并不大。在采用Rayleigh波進(jìn)行輸入時，首先應(yīng)了解其作用下地鐵車站地下架構(gòu)動力反應(yīng)特性。這種情況應(yīng)尤其注意埋深會對其產(chǎn)生的影響。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在地鐵車站埋深比臨界埋深大、也就是說超過了臨界埋深時，其埋深越深，結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)便越??；在實際埋深與臨界埋深越接近時（尚未超出臨界埋深），其結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)會受到Rayleigh波波形影響。

2.3非一致地震動輸入

現(xiàn)如今在地震動空間變異性的研究方面多數(shù)處于地面狀態(tài)，例如大跨度空間、大跨度橋梁、水電站大壩等。但地鐵屬于地下空間，地鐵車站結(jié)構(gòu)同樣需要考慮到地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)。目前相關(guān)研究在多點極力地震波輸入方面已經(jīng)形成了階段性成果，在地下結(jié)構(gòu)研究上因為存在于地基接觸產(chǎn)生的連續(xù)性，因此地震動空間變異還應(yīng)該性縱向非一致連續(xù)波動輸入來思考。實際測量研究發(fā)現(xiàn)，地震動非一致輸入會在地下結(jié)構(gòu)延伸長度處于100米以上時產(chǎn)生影響力。

在非一致地震波輸入中，除了需要考慮建立一個人工邊界（需要與波動輸入相應(yīng)）之外，還應(yīng)該注意地震波的非一致輸入性，其中對其產(chǎn)生較大影響的應(yīng)該算是地震波產(chǎn)生的斜入射。研究者研究發(fā)現(xiàn)，在二維或是三維的均勻介質(zhì)方面，已經(jīng)實現(xiàn)了SV波與P波的斜入射輸入。部分研究者將這類斜入射輸入一維化時域，在推導(dǎo)時沒有將介質(zhì)阻尼因素考慮在內(nèi)。但這類對實際操作中會對土層產(chǎn)生不良影響的因素本不該被忽略，因此應(yīng)進(jìn)一步深入思考介質(zhì)阻尼的影響。另外，還應(yīng)在此階段注意相干效應(yīng)影響以及綜合局部場地效應(yīng)的非一致性輸入。

3結(jié)語

在地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震能力的研究方面，理應(yīng)從多角度考慮，在強震荷作用下，地鐵車站中柱端部若能夠設(shè)置合理，便可以達(dá)到減小地震狀態(tài)下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的變性損傷，尤其是地鐵車站的柱子，并防止由于地震出現(xiàn)較大的損傷性破壞，從而提升地鐵車站抗震能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 柳錦春,陳力,杜茂林.提高地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震能力的理論及數(shù)值分析[J].振動與沖擊,2011(03).

[2] 李雅.天津軟土地區(qū)地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].天津城市建設(shè)學(xué)院,2012.

[3] 李建波,陳健云,林利民.軟土淺埋地鐵車站地震響應(yīng)的多因素影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報,2009,02.

[4] 呂立寧.地鐵地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)值計算研究[D].西南交通大學(xué), 2011.