地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)

■汪 鶴 ■南昌軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌 330000

隨著時(shí)代的發(fā)展，環(huán)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(diǎn)問題，人們也慢慢的知道了解決這個(gè)問題的重要方法就是以地下鐵道為主要的公共交通系統(tǒng)，因?yàn)榈罔F的高速快捷、以及清潔的特征，使它在很多的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市中占著不可缺少的角色。現(xiàn)在我國很多地方也建設(shè)了輕軌或者高鐵，可以說中國當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入到了地鐵建設(shè)的黃金時(shí)代，地鐵工程的抗震問題也因此成為城市工程防災(zāi)和抗災(zāi)中最為重要的研究問題。

我國對(duì)地鐵的抗震問題也進(jìn)行過研究分析，不過因?yàn)橹荒芡ㄟ^模型試驗(yàn)、原型的觀測(cè)以及數(shù)據(jù)的模擬這幾種途徑進(jìn)行研究，所以并沒有什么突出的進(jìn)展。當(dāng)前我國對(duì)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(duì)模型試驗(yàn)、原型的觀測(cè)以及數(shù)據(jù)的模擬進(jìn)行的更深層次的探索。當(dāng)前中國還需要對(duì)很多的問題進(jìn)行更加深層的探索，但最為主要的是以下幾點(diǎn)問題。

1 對(duì)土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用進(jìn)行的快速高效算法

數(shù)據(jù)法、半解析法以及解析法等都是解決土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用問題的方法。因?yàn)榘虢馕龇ê徒馕龇ㄊ艿降叵陆Y(jié)構(gòu)的限制，數(shù)據(jù)法又是運(yùn)用作為廣泛的，所以數(shù)據(jù)方法里，有限元法因?yàn)檫m應(yīng)性較強(qiáng)而且較為靈活，所以它得到了廣泛的使用。因?yàn)橄到y(tǒng)非線性的干擾，所以在有限元法和人工邊界相結(jié)合使用，對(duì)土－結(jié)構(gòu)開放系統(tǒng)做全面的分析時(shí)，一定要運(yùn)用時(shí)域逐步積分的算法進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)它做研究時(shí)力學(xué)的模型自由度太多、尺度太大時(shí)，對(duì)它的分析量也就會(huì)是很大的。因?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)構(gòu)造過于繁瑣，還經(jīng)常處于較為復(fù)雜的地震動(dòng)場(chǎng)里，這對(duì)研究會(huì)產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)前我國經(jīng)常運(yùn)用二維計(jì)算模型做抗震研究和分析，不過因?yàn)橐獙?duì)地鐵低下結(jié)構(gòu)的地震所反映的規(guī)律進(jìn)行更深層次探索，所以對(duì)地下構(gòu)造三維整體模型做研究是很重要的。

2 對(duì)土－結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用做的分析模型

在強(qiáng)烈的地震的作用效果之下，地基介質(zhì)和基底結(jié)構(gòu)將會(huì)顯示清晰地彈塑性狀態(tài)與非線性狀態(tài)，地下結(jié)構(gòu)和地基的接觸面很有可能會(huì)產(chǎn)生局部脫離、滑落等不連續(xù)變形的狀況，地下結(jié)構(gòu)中的地基動(dòng)力的互相作用分析的模型還必須要思考地基半無限性對(duì)它的不好影響。所以，正確的地下結(jié)構(gòu)分析模型應(yīng)該不但對(duì)非線性因素做全方位的考慮，還應(yīng)該對(duì)半無限地基的模擬進(jìn)行全面考慮。結(jié)構(gòu)中地基動(dòng)態(tài)的接觸非線性、材料的非線性、遠(yuǎn)近場(chǎng)地基的非線性都是非線性因素。當(dāng)前中國對(duì)結(jié)構(gòu)材料非線性性質(zhì)的研究相對(duì)來說較好一些;對(duì)于結(jié)構(gòu)中的地基動(dòng)態(tài)接觸非線性的研究探討同樣有較大的突破。對(duì)土的非線性問題的研究，特別是動(dòng)力非線性問題的研究有著最大的突破，做到了發(fā)展到幾十種動(dòng)力非線性本構(gòu)模型的地步，而對(duì)結(jié)構(gòu)地基中的遠(yuǎn)場(chǎng)和無限性類型的模擬問題發(fā)展出了多種動(dòng)力人工邊界。盡管還沒有哪一個(gè)模型得到了廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于當(dāng)前我國所針對(duì)的問題也會(huì)有不少的正確、科學(xué)并且有效的選擇。上面所說的各類問題的研究都已經(jīng)有了很好的研究成果，不過對(duì)于要怎樣的利用這些研究成果做出構(gòu)造正確、科學(xué)以及合理的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震的反應(yīng)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(píng)估方法以及抗震破壞的模式

對(duì)于地下機(jī)構(gòu)抗震理論最為實(shí)用的一種方法就是動(dòng)力時(shí)程分析的方法，但是為了更好地對(duì)地下結(jié)構(gòu)極限的承載能力和做抗震設(shè)計(jì)，就必須要在進(jìn)行探索，以求發(fā)展較為有效以及簡(jiǎn)單的分析方法。觀察當(dāng)前我國的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)于發(fā)展新的抗震方法和新的評(píng)估地震破壞模式是很有必要的。當(dāng)前我國的相關(guān)法律規(guī)定對(duì)于抗震設(shè)計(jì)必須要在大地震作用的結(jié)構(gòu)彈塑性的變性進(jìn)行嚴(yán)格的演算。對(duì)大地震作用之下的彈塑性變形進(jìn)行的演算對(duì)于地下結(jié)構(gòu)特別是地鐵車站結(jié)構(gòu)來說也是很重要的。動(dòng)力時(shí)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(dòng)力時(shí)程分析法是因?yàn)橛?jì)算地震反應(yīng)的時(shí)候結(jié)構(gòu)所反映的內(nèi)力以及變形的狀態(tài)，從而得出的結(jié)構(gòu)開裂以及屈服的順序，再發(fā)現(xiàn)塑性變形和應(yīng)力所聚集的位置，最后再對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)、屈服機(jī)制和有可能發(fā)生破壞的類型，這樣得出的結(jié)果也比較準(zhǔn)確，不過因?yàn)橛?jì)算的工作量過于太大，計(jì)算的結(jié)果也會(huì)經(jīng)常受到地震波的影響，把這些用于常規(guī)的設(shè)計(jì)還是會(huì)有很多困難的。靜力增量的方法相對(duì)于比較簡(jiǎn)便一些，不過它卻沒有考慮到結(jié)構(gòu)自震的特點(diǎn)和地震作用的密切關(guān)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(jié)構(gòu)會(huì)受到周圍地基約束的特征，從而提出相對(duì)應(yīng)的抗震分析和設(shè)計(jì)方法，使它對(duì)當(dāng)前的承載力設(shè)計(jì)方法做到突破，讓地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)更加的科學(xué)、簡(jiǎn)單和有效。

4 抗震構(gòu)造措施

當(dāng)前中國對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件所運(yùn)用的抗震構(gòu)造措施還沒有得到統(tǒng)一的肯定。分為兩種觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)是認(rèn)為可以按照建筑結(jié)構(gòu)的要求，比如，一個(gè)城市如果它的抗震設(shè)防烈度是7度的話，就必須按照8度的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的構(gòu)造措施，把抗震的等級(jí)提高一級(jí)。而另外一種觀點(diǎn)就是認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿降讓拥闹萍s，地震的時(shí)候結(jié)構(gòu)構(gòu)件很少會(huì)出現(xiàn)狡辯內(nèi)里的狀況，就不用再對(duì)地下構(gòu)造的措施進(jìn)行過多的考慮了，在地面建筑物和地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候才應(yīng)該考慮依照地面結(jié)構(gòu)的抗震要求做相應(yīng)的構(gòu)造措施。把這兩種觀點(diǎn)作比較可以得出，這兩種觀點(diǎn)都有缺陷。前者認(rèn)為地面構(gòu)造和地上構(gòu)造相同，后者則是將地震對(duì)地下結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的破壞完全的忽視了。其實(shí)我們應(yīng)該把施工方法與圍巖條件相對(duì)比進(jìn)行區(qū)別，在對(duì)它們分別進(jìn)行研究分析，然后再依據(jù)地下結(jié)構(gòu)在地震的作用效果之下的破壞情況和受力特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的分析，運(yùn)用合理、科學(xué)的抗震措施。確保地下結(jié)構(gòu)整體的抗震能力可以達(dá)到預(yù)期的效果、將抗震能力提高、減少結(jié)構(gòu)的破壞的重要方法是抗震構(gòu)造措施。它可以把構(gòu)造的潛力挖掘出來，它比只是用設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)將抗震能力增強(qiáng)的辦法更加的科學(xué)、合理和有效。而這方面的工作重點(diǎn)最應(yīng)該放在地下結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)造方面產(chǎn)生的問題還有很多很多，比如，后砌的內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)與非承重隔墻的抗震構(gòu)造要求，還有抗震縫的設(shè)置方法和原則等。

5 結(jié)語

地鐵在當(dāng)代是不可缺少的，地鐵的地下結(jié)構(gòu)是最為重要的生命線工程，它的運(yùn)用周期較長(zhǎng)，造價(jià)很高，一旦出現(xiàn)意外，地鐵發(fā)生破壞，就會(huì)很難修復(fù)，這會(huì)給經(jīng)濟(jì)造成很大的損失。如今我國的地鐵建設(shè)已經(jīng)達(dá)到了最高潮，我國的地鐵建設(shè)很多都建設(shè)在高烈度的地區(qū)，最大的不足就是我國目前還沒有科學(xué)正確的抗震構(gòu)造措施，還有完美的地鐵地下的構(gòu)造抗震分析的方法，所以我們才會(huì)對(duì)系統(tǒng)的理論進(jìn)行深入的分析，開展了實(shí)驗(yàn)的研究和數(shù)據(jù)模擬，做出最為合理、科學(xué)和有效的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法以及理論，將地下結(jié)構(gòu)的抗震措施進(jìn)行完善，找出最好的地下結(jié)構(gòu)抗震體系，是它們有著很重要的工程應(yīng)用價(jià)值和重要的科學(xué)的意義。

［1］施仲衡.地下鐵道的施工和設(shè)計(jì)［M］.西安峽西科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［2］陳啟亮，于翔等.地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法和現(xiàn)狀［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，1(5):63－69.

［3］蘇燕，童鵬，周健.軟土層地鐵及地下構(gòu)筑物抗振動(dòng)力分析研究現(xiàn)狀［J］.地下空間，2013，23(2):173－178.