地鐵車站抗震設計探討

摘要:在神戶地鐵車站震害分析和地鐵車站的地震作用機理的基礎上，總結目前地鐵車站結構的地震動力反應分析研究現狀和需要解決的關鍵問題，對地鐵車站抗震設計提出建議。

關鍵詞:地鐵車站;抗震設計;地震反應動力分析

中圖分類號:U231 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)02-0284-01

1 引言

近年來，隨著地下結構數量的增多和地下結構震害的頻繁出現，地下結構抗震問題日益受到人們的重視。特別是1995年日本阪神地震后，世界各國紛紛針對區間隧道和地鐵車站的震害，研究導致震害的主要原因，并據以建立分析理論，使得地下鐵道的抗震研究出現了前所未有的熱潮。

2 地鐵車站震害實例分析

在阪神地震中，神戶市地鐵多數車站有震害現象發生，尤其是大開車站(Daikai Subway Station)和上澤車站(Kamisawa Station)，破壞最為嚴重，混凝土中柱開裂倒塌、頂板和樓板斷裂坍塌、側墻開裂等破壞現象隨處可見。其他車站的中柱、頂板、樓板和側墻部位也有破壞現象，但總體來說，破壞較為輕微。

該車站用明挖法于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，在側墻的隅角部位也發生裂縫及變位但無顯著破壞。

國內外學者根據地鐵車站結構在阪神地震中出現的嚴重破壞進行了許多研究，結果表明:(1)中柱是地鐵車站結構抗震的薄弱環節，對其抗震性能的設計應引起重視;大開車站的中柱是由于水平和豎向地震作用下產生了較大內力，從而導致了整個地下結構的破壞;(2)直下型地震的強地面運動破壞作用對地鐵車站的破壞很大;(3)采用沖量理論分析豎向地震作用對中柱破壞的影響，發現豎向地震動作用下地下結構所產生的內力比水平地震動作用下產生的內力還要大，這能較好的解釋中柱破壞的震害現象，說明豎向地震作用對地鐵車站結構的破壞有顯著影響。

3 地鐵車站震害機理分析

地鐵車站震害形態的差異與地震強度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地質條件、車站結構與周圍土體介質的相對剛度及施工方法、施工的難易程度等有密切關系。根據以往地下結構在地震時所表現的行為可知，地震的主要或次要效應均可使車站結構遭受破壞。該效應包括兩個方面:第一種效應是土體失穩，指土體的變形、差異位移、震陷和液化。該類型的破壞多數發生在水文地質條件變化較大、斷層破碎帶、淺埋地段或車站結構剛度遠大于周圍土層剛度的土體介質中，是目前公認的主要破壞形式。第二種效應是地震慣性力，指強烈的地層運動在結構中所產生的慣性力所造成的破壞。該類型的破壞多數發生在淺埋或明挖的車站結構，在這些地方地震慣性力的作用表現得比較明顯。除此之外，淺埋車站結構的地震破壞比深埋車站結構發生的頻度和程度都要高很多，因為在淺埋地段可能受到上述雙重類型的破壞作用。

地震工程學院胡聿賢認為，對于地下結構，其抗震能力的重要問題在于土體的地震變形和結構對于這種變形的適應性。所以地鐵車站抗震設計不但要求結構在靜載和地震荷載作用下具有足夠的強度，而且能最大程度的吸收地震產生的變形。所以，地鐵結構的抗震設計原則應當考慮這種破壞作用，使設計的結構應有足夠的韌性以吸收地震所產生的相位衍生應力和強制變位，同時又不損害其承受靜載的能力。

4 地鐵車站結構地震反應動力分析

目前，我國地鐵車站結構的抗震設計基本是參照GBJ111—87《地鐵工程抗震設計規范》中有關隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設計規范》采用地震系數法進行的。地震系數法用于地下結構抗震計算時具有明顯的缺陷，比如按照地震系數法，作用在地下結構的水平慣性力隨埋深的增加而增加，這與實際情況明顯不符。

強地震作用下，地下結構與周圍土體質可能呈現明顯的非線性、彈塑性狀態，地下結構與土體之間的接觸面還可能出現局部滑移、脫離等非連續變形現象，因此，一個合理的地下結構動力分析模型必須全面考慮四種非線性因素:結構材料非線性、土-結構動態接觸非線性、近場地土非線性與遠場地土非線性，同時還應該合理考慮周圍土體半無限性的影響。目前對包括鋼筋混凝土等在內的結構材料非線性性質的研究相對成熟，土-結構動態接觸非線性的研究也已經取得了較大進展，針對土體半無限性及遠場地土特性的模擬問題已經發展了多種動力人工邊界，關于土的非線形問題(尤其是動力非線形問題)的研究更是發展出幾十種動力非線形本構模型。目前雖然沒有任何一個模型具有廣泛的適用性，但針對具體問題也不乏有合理而實用的選擇。

對地鐵車站結構來說，周圍土體特性對結構地震反應及破壞特征的影響顯著。在地震作用過程中，周圍土體尤其是上覆土層的重力效應對結構地震反應會產生不容忽視的影響。如何合理的反映土體的靜力效應及周圍土體介質半無限性的影響是一個比較重要的問題。這一問題的解決涉及到動力人工邊界及靜力人工邊界的合理確定和設置。目前已有的動力人工邊界一般不適用于土-結構動力相互作用分析，不能很好的反映地下結構周圍土體的重力效應對非線形結構地震反應的影響。因而有必要發展一種對靜力分析和動力分析均能適用的靜-動力統一人工邊界，并提出直接在靜-動力統一人工邊界上實現地震波場的輸入方法。基于靜-動力統一人工邊界建立一個可考慮上覆土層的重力效應、實現強地震作用有效輸入、合理反映結構材料非線形、土-結構動接觸非線形、近場地土非線形與遠場地土非線形等影響因素的理論分析模型是完善地下結構靜力分析及地震反應動力分析的合理途徑。

5 結論

(1)地鐵車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害的結構之一，應納入抗震設防的重要范疇。目前，我國地鐵車站結構的抗震設計方法并不完善。

(2)豎向地震作用對地鐵車站結構的破壞有顯著影響，中柱是地鐵車站結構抗震的薄弱環節，設計中應予以重視。

(3)在強地震作用下，地鐵車站結構的土-結構動力非線形相互作用不可避免。車站結構地震反應動力分析模型的建立是需要解決的關鍵問題。

(4)在車站抗震設計中，按照不同的設計階段來選用不同的設計方法是比較合適的。具體的，在初步設計階段，抗震驗算可應用靜力法中的反應位移模型和地震慣性模型結合進行。而在施工圖設計階段，則應用土-結構動力相互作用分析進行抗震驗算。

總之，重新具體評價地鐵車站抗震安全性，加強研究地鐵車站的抗震性能，對地鐵車站抗震設計提出相應的建議和抗震措施，對于城市地鐵工程具有非常重要的意義。

參考文獻

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