地鐵地下結構抗震理論分析與應用研究

■萬先虎 ■身份證號碼:360124198812252110，江西 南昌 330000

1 地鐵地下結構抗震危害的特征

通過一系列的地震觀測研究發現，地鐵地下結構抗震反應特性主要表現為以下幾個方面:(1)地鐵地下結構的地震破壞程度通常較之于地上的破壞程度要低;(2)地鐵地下深埋結構受地震破壞的程度通常比埋藏深度較淺的結構受到的影響輕;(3)土壤之中的地下結構較之于巖石之中的結構更加容易受到地震破壞作用;(4)就巖石之中的地下隧道來說，應用措施主要是提高圍巖與襯砌的整體性，這樣能夠使得地鐵隧道的抗震能力有效提高;(5)在對稱動荷載的影響之下，地鐵隧道結構通常會更加穩定。若僅僅增加襯砌的剛度與厚度，而不增強附近軟弱圍巖，這必然會使得襯砌之中出現過大的內力情況;(6)在相同的震中距以及地震強度的條件之下，地下結構的鎮海程度通常可以由峰值地面速度大小與峰值地面加速度所決定;(7)地鐵地下結構破壞程度會在很大程度上受到地震持續時間的影響;(8)高頻分量的地震波可能會致使混凝土與延時產生剝裂的情況，但是這單單對震中距較短的地鐵地下結構具有明顯的影響;(9)相對于波長地鐵地下結構的尺寸較小的時候，其對附近地基地震所產生的影響也較小，如果地震波波長達到隧道口徑的1 到4 倍，就會不斷放大振動效果;(10)地下隧道在地面出入的時候肯呢個會由于邊坡失去穩定性而出現各種破壞問題。

2 地鐵地下結構抗震理論分析方法

通過調查研究發現，當前地鐵地下結構抗震理論分析方法主要有兩個，分別是:靜力法或擬靜力法、土-結構動力互相作用法，下面將對這兩種分析方法進行簡要的介紹:

2.1 靜力法或擬靜力法

應用靜力法或者是擬靜力法來開展地震分析的時候往往對地下結構的地震變形進行分析，分為下列類型:橫截面剪切變形;軸向彎曲變形以及軸向拉伸或壓縮變形。通常而言，靜力法或者擬靜力法的物力概念較為清晰，而且計算方法較為加單，工作量較小，參數較易確定，再加之工程經驗較為豐富，較易被工程師所接受，所以大部分地下結構實用抗震分析法都在這一范疇之中，如:應變傳遞法、反應位移法以及地震系數法等。

2.2 土-結構動力相互作用法

地鐵地下結構抗震分析中應該對土-結構動力互相作用法予以重點分析，這一問題是土動力學與結構動力學之中非常復雜的一個課題，設計眾多方面的因素，比如說:遠場地面運動、基地以及結構等。當前對土-結構動力互相作用問題的求解方法主要分為兩種:數值方法與解析法。其中，解析法通常建立于在線彈性理論或者粘彈性理論的基礎上，沒有廣泛的通用，而數值法以有限元法作為代表，其能夠對任意完備邊值問題進行求解，所以能夠進行廣泛的應用與研究。應用有限元法來對結構-地基動力互相作用問題進行分析的時候，需要綜合考慮微理想化與宏理想化兩個方面。其中微理想化指的是有限單元的設計過程，其需要對土動力非線性、結構材料的非線性以及結構-地基動態接觸非線性等進行考慮;而宏理想化指的是有限元模型整體輪廓的設計，其主要包括輸入地震動、邊界條件以及整體尺寸等方面的內容，其中最為重要的就是對模型邊界確定的分析，也就是人工邊界的設置問題。在應用土-結構動力互相作用法時需要對人工邊界、土的非線性動力本構關系以及鋼筋混凝土構件的恢復力模型等進行考慮。

3 地鐵地下結構抗震理論分析與應用存在的問題

雖然地鐵地下結構抗震問題的研究已取得了一定的成就，但是因為問題的復雜性，使得這一方法與理論還不能使得工程的實際需求得以滿足，仍然需要在模型試驗、數值模擬以及理論分析等方面進行更加深入的研究。當前地鐵地下結構抗震理論分析之中亟待解決的問題主要包括以下兩個方面:

3.1 土-結構動力互相作用分析模型

就微理想化角度來說，現在在鋼筋混凝土等結構材料的非線性的性質研究已經取得了一定的成就，表現為:結構—地基動態接觸非線性研究取得了一定的進展，就土的非線性問題的研究雖然當前尚未存在一個具有廣泛適用性的模型，但是已經具有針對具體問題的實用、合理的模型。這些研究已經取得了一定的成果，但怎樣根據這些成果來構造出恰當的地鐵地下結構地震反應分析模型仍然應該開展深入的探討與研究。就宏理想化角度來說，怎樣將地基靜力效應與半無限性對地鐵地下結構動力反應影響給科學的反應出來是非常重要的一個問題。就地鐵區間隧道與車站等地下結構而言，附近地基的特性能夠對結構破壞特征與地震反應產生嚴重的影響。在地震反應中，附近地基特別是上覆土層的重力效應能夠對結構地震產生非常重要的影響。要合理解決這一問題需要對靜力人工邊界與動力人工邊界進行科學的設置與確定，因為當前已經存在的動力人工邊界通常無法適用地下結構—地基系統的靜力分析，所以經常會采用對動力問題與靜力問題應用不同人工邊界的方法進行解決。就靜力問題而言，應用靜力邊界或人工邊界，而就動力問題則應用動力人工邊界，進而獲得兩種不同分析模型。對于不同的模型則可以獨立開展動力分析與靜力分析，然后組合這兩種分析的結果，或先對靜力問題進行分析，再在靜力分析的基礎上開展動力分析。這兩種做法不但非常麻煩，而且無法將地下結構周圍地基重力效應情況很好的反應出來。所以，在開展動力分析的時候應該對靜力分析的靜—動力統一人工邊界予以統一考慮。并且將直接于靜—動力統一人工邊界之上開展地震波長輸入法予以提出。

3.2 地鐵地下結構地震破壞模式以及抗震性能的評估法

通過一系列的調查研究發現，土-結構動力互相作用分析法能夠當做一種可靠分析法，在對地鐵地下結構抗震理論研究中具有非常重要的作用。而對地下結構承載力極限狀態以及開展常規地鐵地下工程抗震設計中，還應該研究出更加實用、便捷的方法。通過當前建筑結構中存在的設計方法，將新的地鐵地下結構地震破壞模式以及抗震性能分析方法給發展出來，具有非常重要的作用。在《建筑抗震設計規范》之中要求在建筑抗震設計過程中應該開展大震作用之下結構的彈塑性變形驗算，就地鐵地下結構而言，必然需要開展大震影響下的彈塑性變形驗算。當前應用較為普遍的彈塑性分析法主要包括:靜力彈塑性分析法、動力時程分析法以及靜力增量分析法。其中靜力增量分析法較為簡單，但是這一方法并未對結構自震特性與地震作用間的關系予以考慮;而動力時程分析法因為可以將地震反應中各個時刻結構的變形與內力形態給計算出來，能夠將結構屈服與開裂的順序給確定下來，并且確定塑性與應用變形較為集中的位置，進而能夠將可能破壞的類型、薄弱環節與屈服機制給判明，應用這一方法所得到的結構通常比較準確，但是其所需的計算量較大，計算結構通常會受到選取地震波等因素的影響，將其用在常規抗震分析之中還有較大的困難。靜力彈塑性分析法是一種新結構抗震分析法，應用這種方法不但較為簡單，而且能夠較為準確的對地震作用之下結構的反應情況進行評估，從而得出較為廣泛的應用與研究。

因為地下結構和地上結構地震反應特點與規律并非完全一樣，所以當前在地上結構較為適用的靜力彈塑性法還無法在地下結構抗震設計中得以有效應用，而且因為受到附近地基的制約，地上結構的變形形式與地上結構有所不同。較之于地上結構，地鐵地下結構在整體出現較小變形的時候局部內力或許會非常大，無法單純的套用地上結構變形極限值來進行地上結構在地震作用下的極限進行準確推算，所以應用發展一種可以與地鐵地下結構相適應的地震設計方法與方案分析，從而有效的突破當前承載力設計方法的制約，使得地鐵地下結構抗震設計更加簡單、合理。

4 結束語

綜上所述，地鐵地下結構抗震理論分析與應用研究對于保證地鐵的安全運行具有非常重要的作用，當前我國地鐵地下結構抗震理論雖然取得了一定的進步，但是仍然存在不完善的地方，需要相關人員予以不斷的完善，并且將其不斷的應用于實際之中，從而切實保證地鐵地下結構抗震理論的科學性，這需要相關工作者予以不懈的努力。

［1］李彬.地鐵地下結構抗震理論分析與應用研究［D］.清華大學，2005.

［2］孫超.地鐵地下結構抗震性能及分析方法研究［D］.中國地震局工程力學研究所，2009.