地震耦合作用下地下車站結構的抗剪性能研究綜述

王 嗩

（四川建筑職業技術學院 鐵道工程系， 四川 成都 610399）

0 引言

我國所處的地殼板塊位于環太平洋地震帶，這條板塊是最大的大陸淺源強震活動區當中的其中一個，整個區域內的地震活動比較頻繁。從全國范圍來看，在300多個城市中，有一半以上的地塊位于地震基本烈度7度或7度以上的區域，更有一些大城市是處在8度的高烈度地震區，例如北京、天津[1]。鑒于以上特殊地理條件，我國地下車站在設計初期首要面對的是問題就是抗震設計和抗震安全性能評估。

由于研究者們各自側重的角度不同，分析模型與方法上的差異，以及對震害機理和破壞模式的解析的側重點不一致，對地下結構抗震性能的理解不同，導致在這方面的研究仍存在一些認識上的歧義，至今未達成共識。

1 地震作用研究

對于地下車站結構的抗震性能的研究工作，在國內外已經累積了大量的理論、數值和試驗數據。對于地震作用的外在因素影響，各方的認識并不完全相同，多數解釋是認為地震產生的土層水平變形施加到地下結構上的剪切作用是主因[1]，部分研究者認為豎向地震作用是主因[2-4]，也有專家[5，6]認為應耦合考慮地震的水平與豎向作用。

從傳統的觀點上講，水平地震力是引起地下車站結構破壞的決定性因素，而豎向地震力上所產生的影響并不明顯。周少斌[1]以日本大阪地鐵車站震害實例為模型進行破壞機理，表明水平方向的地震波才是導致地鐵車站結構震害主要原因。

近年來，研究者們在全球范圍內所發生的強烈地震進行了詳細調查，這些震害調查數據顯示出，許多土木結構的破壞是受到了豎向地震力作用的影響，甚至有時會成為導致該結構破壞的直接原因。在高烈度區，特別是震中區，豎向地震力對土木結構的影響是非常明顯的。張延年等[7，8]研究指出，無論是否考慮豎向地震作用，MRD對結構均有良好的控制作用，但是在考慮豎向地震作用存在時，其增量隨豎向地震作用呈遞增變化。因此該學者建議在高烈度地區的MRD結構應考慮豎向地震作用對結構的影響。尹奮[9]通過OpenSees對一棟3層鋼筋混凝土框架進行增量動力分析，驗證了豎向地震作用的重要性。

黃昱華等[10]通過對比研究單維豎向地震波和耦合激勵作用下結構體系的動力相應模型， 得出在結構抗震設計中宜適當考慮地震的耦合影響。在分析地鐵地下結構的抗震性能時，應當將豎向地震作用作為重要因素予以考量，應當全面綜合考慮水平與豎向地震耦合作用對地鐵車站結構所產生的影響，以提高地鐵地下結構抗震設計的合理性與安全性。

2 地下車站結構抗剪性能研究

從現研究階段看，關于地下結構地震反應規律的研究已經開展了很多年，但由于研究者們研究的側重面不同，在一些研究方向上仍有空缺。例如，關于地下結構地震破壞機理的認識并沒有達成共識，尤其是耦合地震作用形式和結構構件抗震能力（強度、變形、荷載轉移等能力）的基礎之上，系統性分析構件強度、變形能力動態調整的成果仍很缺乏[11]。

田雪娟[12]研究中指出中柱成為結構中抗震不利的構件的原因：雖然中柱是軸向受力構件，但是地震作用下，結構依然有剪切變形，因此柱子兩端相對位移增加導致柱端彎矩有較大的增幅，從而使中柱。李鳳麗[13]分別采用不同地震波，以上海市軌道交通某線地下車站為實例，分析研究了地震影響下地下車站結構抗彎、抗剪及變形能力。

一些學者通過數值模擬分析，提出了新的研究計算方法。陳之毅[14]通過模擬分析，提出了整體強制反應位移法，該方法是一種地下結構簡化抗震計算方法。朱俊[15]提出了一個FE-IBE耦合方法進行地下結構非線性地震響應分析。路德春[16]在“中柱變形能力不足導致大開車站的塌毀”這一觀點基礎上，優化分析了大開車站中柱的失效模式，從而提出一種新型疊層加芯柱以增加地鐵車站的穩定性。

3 我國抗震設計規范研究

由于我國現行的抗震設計規范并沒有對于地震作用反應譜的規定做出詳細的規定，導致在現行規范中，缺乏完善的理論和實踐結果作為依據，對結構設計在抗剪能力影響因素的調整系數上考慮較少。系數取值沒有針對性而以經驗為主，相較于國外規范而言數據值偏小，其有效性也還有待進一步研究[17，18]。

建筑抗震設計規范 GB50011-2010（2016版）[19]在規范中沒有直接給出豎向地震作用設計的反應譜，只是在第 5.3.1～5.3.4條中對豎向地震作用的計算方式給予了簡化的規定。在城市軌道交通結構抗震設計規范 GB 50909-2014[20]中，也只是同樣在第5.3.1和5.3.2條只對豎向設計地震動參數給出了簡要規定。

侯莉娜[21]針對城市軌道交通結構抗震規范中地震動參數以及抗震措施等方面存在的一些值得商榷的問題，給出了相關建議。這說明，有必要進一步分析合理的地下車站結構破壞機理和失效模式，以及開展與之對應的抗震設計實用分析方法的研究，最終達到既要在安全性上有保證也要能夠合理的節約投資成本。

周航[18]根據我國現行規范分別設計了低烈度區（6 度）和高烈度區（9 度）剪力墻和框架剪力墻結構算例，考察了現行規范對剪力墻能力設計措施的有效性；通過算例分析，對比計算了幾種工況下，達到預期破壞模式情況下，結構的彎矩和剪力需求。鄧宇潔，梁發云[22]根據現行國家規范和上海地方抗震設計規范提供的分析方法，通過分析典型兩層雙柱三跨地鐵車站結構，利用數值模型對地震反應進行了對比驗算。

許紫剛等[23]針對我國現行《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB 50909-2014)推薦采用的反應位移法展開了分析，得出該方法存在一定的局限性，對此提出了一種適用于復雜斷面地下結構地震響應分析的廣義反應位移法。

4 結論

在我國現行的規范中，對于結構抗剪能力調整系數產生影響的因素考慮得還不夠全面，還沒能以足夠充分地實踐數據作為依據來形成完善的理論體系。在應用中因為缺乏針對性地研究，所以多以經驗為依據取值，系數取值相較于國外的規范而言也偏小，其有效性也還有待研究。因此，有針對性地、全面綜合地，分析地下車站結構地破壞機理和失效模式對指導地下車站結構的抗剪性能研究至關重要，尤其是開展與之相適應的抗震設計實用分析方法的研究也是關鍵中的關鍵；系統性的研究成果不僅在安全性上有保證，也要能夠合理的節約投資成本。