地鐵地下結構抗震分析及設計

■汪 鶴 ■南昌軌道交通設計研究院有限公司，江西 南昌 330000

隨著時代的發展，環境的不斷惡劣和城市交通的逐步惡化，交通問題成為各大都市重點問題，人們也慢慢的知道了解決這個問題的重要方法就是以地下鐵道為主要的公共交通系統，因為地鐵的高速快捷、以及清潔的特征，使它在很多的經濟發達城市中占著不可缺少的角色。現在我國很多地方也建設了輕軌或者高鐵，可以說中國當前已經進入到了地鐵建設的黃金時代，地鐵工程的抗震問題也因此成為城市工程防災和抗災中最為重要的研究問題。

我國對地鐵的抗震問題也進行過研究分析，不過因為只能通過模型試驗、原型的觀測以及數據的模擬這幾種途徑進行研究，所以并沒有什么突出的進展。當前我國對于這一方面的探究還屬于較為落后的，為了取得突出成就，改變落后局面，我國對模型試驗、原型的觀測以及數據的模擬進行的更深層次的探索。當前中國還需要對很多的問題進行更加深層的探索，但最為主要的是以下幾點問題。

1 對土－結構動力互相作用進行的快速高效算法

數據法、半解析法以及解析法等都是解決土－結構動力互相作用問題的方法。因為半解析法和解析法受到地下結構的限制，數據法又是運用作為廣泛的，所以數據方法里，有限元法因為適應性較強而且較為靈活，所以它得到了廣泛的使用。因為系統非線性的干擾，所以在有限元法和人工邊界相結合使用，對土－結構開放系統做全面的分析時，一定要運用時域逐步積分的算法進行計算，在對它做研究時力學的模型自由度太多、尺度太大時，對它的分析量也就會是很大的。因為地下結構構造過于繁瑣，還經常處于較為復雜的地震動場里，這對研究會產生很大的影響。當前我國經常運用二維計算模型做抗震研究和分析，不過因為要對地鐵低下結構的地震所反映的規律進行更深層次探索，所以對地下構造三維整體模型做研究是很重要的。

2 對土－結構動力互相作用做的分析模型

在強烈的地震的作用效果之下，地基介質和基底結構將會顯示清晰地彈塑性狀態與非線性狀態，地下結構和地基的接觸面很有可能會產生局部脫離、滑落等不連續變形的狀況，地下結構中的地基動力的互相作用分析的模型還必須要思考地基半無限性對它的不好影響。所以，正確的地下結構分析模型應該不但對非線性因素做全方位的考慮，還應該對半無限地基的模擬進行全面考慮。結構中地基動態的接觸非線性、材料的非線性、遠近場地基的非線性都是非線性因素。當前中國對結構材料非線性性質的研究相對來說較好一些;對于結構中的地基動態接觸非線性的研究探討同樣有較大的突破。對土的非線性問題的研究，特別是動力非線性問題的研究有著最大的突破，做到了發展到幾十種動力非線性本構模型的地步，而對結構地基中的遠場和無限性類型的模擬問題發展出了多種動力人工邊界。盡管還沒有哪一個模型得到了廣泛的應用，但是對于當前我國所針對的問題也會有不少的正確、科學并且有效的選擇。上面所說的各類問題的研究都已經有了很好的研究成果，不過對于要怎樣的利用這些研究成果做出構造正確、科學以及合理的地鐵地下結構抗震的反應分析模型還必須要做更深層次的分析探索。

3 抗震性能的評估方法以及抗震破壞的模式

對于地下機構抗震理論最為實用的一種方法就是動力時程分析的方法，但是為了更好地對地下結構極限的承載能力和做抗震設計，就必須要在進行探索，以求發展較為有效以及簡單的分析方法。觀察當前我國的抗震設計方法，對于發展新的抗震方法和新的評估地震破壞模式是很有必要的。當前我國的相關法律規定對于抗震設計必須要在大地震作用的結構彈塑性的變性進行嚴格的演算。對大地震作用之下的彈塑性變形進行的演算對于地下結構特別是地鐵車站結構來說也是很重要的。動力時程分析的方法、靜力增量的分析方法以及靜力彈塑性分析的方法都是屬于最為常用的幾種方法。動力時程分析法是因為計算地震反應的時候結構所反映的內力以及變形的狀態，從而得出的結構開裂以及屈服的順序，再發現塑性變形和應力所聚集的位置，最后再對結構的薄弱環節、屈服機制和有可能發生破壞的類型，這樣得出的結果也比較準確，不過因為計算的工作量過于太大，計算的結果也會經常受到地震波的影響，把這些用于常規的設計還是會有很多困難的。靜力增量的方法相對于比較簡便一些，不過它卻沒有考慮到結構自震的特點和地震作用的密切關系。而Push－over分析的方法相比來說就挺好的，它既考慮到了地下結構會受到周圍地基約束的特征，從而提出相對應的抗震分析和設計方法，使它對當前的承載力設計方法做到突破，讓地下結構的抗震設計更加的科學、簡單和有效。

4 抗震構造措施

當前中國對于地下結構的抗震設計中結構構件所運用的抗震構造措施還沒有得到統一的肯定。分為兩種觀點，一種觀點是認為可以按照建筑結構的要求，比如，一個城市如果它的抗震設防烈度是7度的話，就必須按照8度的標準設置相應的構造措施，把抗震的等級提高一級。而另外一種觀點就是認為地下結構因為受到底層的制約，地震的時候結構構件很少會出現狡辯內里的狀況，就不用再對地下構造的措施進行過多的考慮了，在地面建筑物和地下結構相結合的時候，這個時候才應該考慮依照地面結構的抗震要求做相應的構造措施。把這兩種觀點作比較可以得出，這兩種觀點都有缺陷。前者認為地面構造和地上構造相同，后者則是將地震對地下結構導致的破壞完全的忽視了。其實我們應該把施工方法與圍巖條件相對比進行區別，在對它們分別進行研究分析，然后再依據地下結構在地震的作用效果之下的破壞情況和受力特點，對其進行針對性的分析，運用合理、科學的抗震措施。確保地下結構整體的抗震能力可以達到預期的效果、將抗震能力提高、減少結構的破壞的重要方法是抗震構造措施。它可以把構造的潛力挖掘出來，它比只是用設防標準將抗震能力增強的辦法更加的科學、合理和有效。而這方面的工作重點最應該放在地下結構構件的延性和耗能能力的提高，還有將薄弱的部件受力的改善之上。地下工程中抗震構造方面產生的問題還有很多很多，比如，后砌的內部承重結構與非承重隔墻的抗震構造要求，還有抗震縫的設置方法和原則等。

5 結語

地鐵在當代是不可缺少的，地鐵的地下結構是最為重要的生命線工程，它的運用周期較長，造價很高，一旦出現意外，地鐵發生破壞，就會很難修復，這會給經濟造成很大的損失。如今我國的地鐵建設已經達到了最高潮，我國的地鐵建設很多都建設在高烈度的地區，最大的不足就是我國目前還沒有科學正確的抗震構造措施，還有完美的地鐵地下的構造抗震分析的方法，所以我們才會對系統的理論進行深入的分析，開展了實驗的研究和數據模擬，做出最為合理、科學和有效的地下結構抗震設計的方法以及理論，將地下結構的抗震措施進行完善，找出最好的地下結構抗震體系，是它們有著很重要的工程應用價值和重要的科學的意義。

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