基于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計問題探討*

侯莉娜 文保軍

(1. 西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，710021，西安；2. 中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，710054，西安//第一作者，講師)

0 引 言

地鐵地下結(jié)構(gòu)在地震作用下可能會出現(xiàn)嚴重的破壞，其抗震安全成為目前工程設(shè)計中需要考慮的重要技術(shù)問題[1-6]。然而，一直以來我國沒有專用的城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范。地面和地下車站結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)一般均采用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論、方法和規(guī)范[7]。為此，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[8](以下簡為“新抗震規(guī)范”)，為我國城市軌道交通結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供了技術(shù)標準。因此理解和運用好該規(guī)范是做好地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基礎(chǔ)。

將新抗震規(guī)范與地上民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范的相關(guān)參數(shù)進行對比分析，重點對地下結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標及水準、地震動參數(shù)以及抗震措施等方面的問題進行了探討。通過分析地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計思路，總結(jié)出便于一般設(shè)計人員理解的地鐵地下結(jié)構(gòu) “兩水準、兩階段”的設(shè)計方法。同時，針對新抗震規(guī)范中地震動參數(shù)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(guān)建議。以期對設(shè)計人員理解和運用新規(guī)范提供一定的參考。

1 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標及水準

1.1 抗震設(shè)防分類

《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》[9]規(guī)定：抗震設(shè)防區(qū)的所有建筑工程應(yīng)確定其抗震設(shè)防類別。制定建筑工程抗震設(shè)防分類的行業(yè)標準，應(yīng)遵守該標準的劃分原則。

新抗震規(guī)范將城市軌道交通結(jié)構(gòu)劃分為標準設(shè)防類、重點設(shè)防類及特殊設(shè)防類3個抗震設(shè)防類別。設(shè)防類別劃分原則與《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》中的規(guī)定一致，但取消了適度設(shè)防類。

地鐵地下結(jié)構(gòu)屬于交通運輸類，設(shè)防分類為重點設(shè)防類。特殊設(shè)防類適用于特殊情況，標準設(shè)防類不包含車站和隧道主體結(jié)構(gòu)，故本文對此不再討論。

《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》規(guī)定：重點設(shè)防類應(yīng)按高于本地區(qū)設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震措施；但抗震設(shè)防烈度為9度時應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施。同時，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用。

新抗震規(guī)范規(guī)定：重點設(shè)防類抗震措施應(yīng)按照本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求確定；地震作用應(yīng)按現(xiàn)行國家標準GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》規(guī)定的本地區(qū)抗震設(shè)防要求確定；對進行過工程場地地震安全性評價的工程，應(yīng)采取經(jīng)國務(wù)院地震工作主管部門批準建設(shè)工程的抗震設(shè)防要求確定地震作用，同時不應(yīng)低于本地區(qū)的抗震設(shè)防要求。

相比《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》中重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為9度時，重點設(shè)防類的地鐵地下結(jié)構(gòu)應(yīng)按照本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高1度的要求進行確定，但對采取的抗震措施，規(guī)范則未具體說明。

1.2 抗震設(shè)防目標及設(shè)計方法

1.2.1 民用建筑抗震設(shè)防目標及設(shè)計方法

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10]，民用建筑的抗震設(shè)計一般遵循 “三水準、兩階段”的設(shè)計思路。

其抗震設(shè)防目標為：

(1)第一水準：在遭受低于本地區(qū)規(guī)定設(shè)防烈度的地震影響時，建筑物一般不受損壞或不需要修理仍可繼續(xù)使用。

(2)第二水準：在遭受本地區(qū)規(guī)定設(shè)防烈度的地震影響時，建筑物經(jīng)一般修理或不需要修理仍可繼續(xù)使用。

(3)第三水準：在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。

兩階段設(shè)計總結(jié)如下：

(1)第一階段：對絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力驗算和結(jié)構(gòu)彈性變形驗算，同時對各類結(jié)構(gòu)按規(guī)范規(guī)定采取抗震措施。

(2)第二階段：對一些規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的彈性變形驗算。

同時在設(shè)計中通過良好的抗震構(gòu)造措施使第二水準要求得以實現(xiàn)，從而達到“中震可修”的要求。即建筑結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下應(yīng)進行抗震承載能力驗算，以及在罕遇地震作用下應(yīng)進行薄弱部位彈塑性變形驗算的抗震設(shè)計要求，而在設(shè)防烈度地震下，可進行彈性或彈塑性變形驗算。

1.2.2 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標及設(shè)計方法

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同的抗震性能要求來確定抗震設(shè)防目標。其中，一般車站地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標如表1所示。

表1 一般車站地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標

若將E 1、E 2和E 3地震動水準理解為分別對應(yīng)民用建筑中的多遇地震、設(shè)防烈度地震及罕遇地震，則一般地下結(jié)構(gòu)設(shè)防目標可理解為：①第一水準：在遭受低于和等于本地區(qū)規(guī)定的設(shè)防烈度的地震影響時(E 1、E 2地震)，地下結(jié)構(gòu)不破壞、輕微破壞或不需要修理仍可繼續(xù)使用。②第二水準：在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震影響時(E 3地震)，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)局部倒塌。即：“小、中震不壞，大震可修”。

抗震設(shè)計在E 1和E 2地震階段(第一階段)進行多遇地震和設(shè)防烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力驗算和結(jié)構(gòu)彈性變形驗算，對各類結(jié)構(gòu)按新抗震規(guī)范規(guī)定采取抗震措施，從而達到“小震、中震不壞”的要求，即“小、中震不壞”均按彈性階段設(shè)計；在E 3地震階段(第二階段)進行罕遇地震下的結(jié)構(gòu)局部彈塑性變形驗算，即“大震可修” 按彈塑性階段設(shè)計，并由變形限值進行控制。

綜上所述，對于城市軌道交通中一般的地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計可遵循 “兩水準、兩階段”的設(shè)計思路。

2 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計地震動參數(shù)

2.1 設(shè)計基準期

設(shè)計基準期是為確定可變作用及與時間有關(guān)的材料性能取值而選用的時間參數(shù)。目前，民用建筑相關(guān)規(guī)范中，對于不同設(shè)計使用年限結(jié)構(gòu)在設(shè)計中的差異，設(shè)計基準期主要通過可變荷載和材料性能參數(shù)的不同取值來體現(xiàn)。

2.1.1 可變荷載

對于可變荷載，文獻[11-12]通過設(shè)計使用年限調(diào)整系數(shù)對不同設(shè)計使用年限結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

2.1.2 材料性能

文獻[13]對不同設(shè)計使用年限結(jié)構(gòu)，通過混凝土耐久性做出相應(yīng)要求來滿足材料的要求。

對于如何考慮設(shè)計使用年限為100 a建筑(如一般的地鐵地下結(jié)構(gòu))的地震作用，規(guī)范并未做出說明，因此無論在民用建筑還是地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中，目前均廣泛采用50 a設(shè)計基準期對應(yīng)的參數(shù)，這一做法是否合適，還需進一步研究。

2.2 地震重現(xiàn)周期

地震發(fā)生的概率近似為泊松分布或二項分布，按照泊松分布計算時：

(1)

式中：

P——地震發(fā)生的超越概率；

t——結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限；

民用建筑t為50 a時，多遇地震、烈度地震、罕遇地震的50 a設(shè)計基準期的超越概率分別為63%、10%和2%。根據(jù)式(1)計算可得，相應(yīng)n分別為50 a、475 a和2 475 a。

新抗震規(guī)范規(guī)定：E 1地震作用n為100 a，E 2地震作用n為475 a，E 3地震作用n為2 475 a。根據(jù)式(1)可知，E 1地震對應(yīng)的地震為50 a超越概率為40%，E 2地震對應(yīng)的地震為50 a超越概率為10%，E 3地震對應(yīng)的地震為50 a超越概率為2%。

由上述分析可知，E 2地震可看作對應(yīng)于民用建筑的基本烈度地震，E 3地震對應(yīng)罕遇地震，E 1地震則強于多遇地震。

例如，西安地鐵6號線一期地震安評報告的編制工作是在新抗震規(guī)范實施之前完成的。其中，地震動參數(shù)是根據(jù)中國地震局專家意見并結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗進行確定：50 a設(shè)計基準期的超越概率分別為63%、10%和2%，100 a設(shè)計基準期的超越概率分別為10%和2%。而西安地鐵6號線二期地震安評報告的編制工作是在新抗震規(guī)范實施之后完成的，其地震動參數(shù)根據(jù)新抗震規(guī)范選取為：50 a設(shè)計基準期的超越概率分別為40%、10%和2%。由此可知,新抗震規(guī)范頒布前后地震動參數(shù)的選用變化情況。

實際上，設(shè)計使用年限為100 a的結(jié)構(gòu)工程，若P仍為10%(具體概率應(yīng)根據(jù)研究確定)，其相應(yīng)的n應(yīng)為950 a，對應(yīng)的基本烈度應(yīng)為8.49度。根據(jù)基本烈度計算出相應(yīng)的峰值加速度，從而確定相應(yīng)的地震力。

但是由于地震作用計算的復(fù)雜性和不確定性，目前國內(nèi)包括文獻[14-15]在內(nèi)的相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為100 a，在地震作用計算中超越概率均采用50 a，此時僅通過對地震加速度進行放大便可解決該問題。

2.3 地震動參數(shù)

2.3.1 民用建筑

地震設(shè)防烈度根據(jù)設(shè)計的基本地震加速度進行確定，并按設(shè)計的基本地震加速度為50 a、設(shè)計基準期超越概率為10%的地震加速度進行取值。8度區(qū)地震加速度設(shè)計值為0.2g和0.3g。

2.3.2 地鐵地下結(jié)構(gòu)

新抗震規(guī)范中對于抗震設(shè)防地震動峰值加速度與抗震設(shè)防地震動分檔的對應(yīng)關(guān)系，直接引用了GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定。該做法與民用建筑相一致。

與幼兒談話，是發(fā)展幼兒語言能力較好的一種方法。但在實際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，和幼兒談話時，剛開始幼兒往往有著很強烈的交流欲望，但隨著活動的進展和時間的推移，幼兒往往會出現(xiàn)注意力不集中、交流興趣下降、談話效果不理想的狀況。

但由于地鐵地下結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限一般為100 a，新抗震規(guī)范在計算地震作用時，通過設(shè)計地震加速度反應(yīng)譜曲線(對應(yīng)地上建筑的地震影響系數(shù)曲線)中反應(yīng)譜動力放大系數(shù)βm(取2.5)對地震力進行放大。該做法即是規(guī)范對50 a設(shè)計基準期超越概率的一種地震力放大。

2.4 地震作用計算

由于在彈性條件下，E 1地震下地震作用必然小于E 2地震下地震作用值，故在抗震性能I下，采用50 a設(shè)計基準期、超越概率為10%的地震動參數(shù)進行地震作用計算即可。在E 3地震作用下，抗震性能II采用50 a設(shè)計基準期、超越概率為2%的地震動參數(shù)應(yīng)進行結(jié)構(gòu)局部彈塑性變形驗算。

凡是已經(jīng)進行地震安全評價的工程，設(shè)計地震動參數(shù)應(yīng)根據(jù)地震安全評價的結(jié)果確定。在進行設(shè)計計算時，主要應(yīng)根據(jù)人工合成地震波的數(shù)據(jù)來完成。

3 抗震措施

抗震設(shè)計包括地震作用計算和抗震措施。抗震措施是除了地震作用計算和構(gòu)件抗力計算以外的抗震設(shè)計內(nèi)容，主要包括建筑總體布置、結(jié)構(gòu)選型和地基抗液化等措施，同時需考慮概念設(shè)計對地震作用效應(yīng)的調(diào)整，以及各種抗震構(gòu)造措施。本文主要討論地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施，以及概念設(shè)計對地震作用效應(yīng)的調(diào)整等問題。

依據(jù)文獻[8-9]，重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)均應(yīng)按高于本地區(qū)設(shè)防烈度1度的要求加強其抗震措施。

3.1 抗震構(gòu)造措施

民用建筑抗震構(gòu)造采用梁柱箍筋加密及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震構(gòu)造等措施，且不同的抗震等級對應(yīng)不同的抗震構(gòu)造措施。針對重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)，采取的抗震構(gòu)造措施為：通過將本地區(qū)設(shè)防烈度提高1度來確定抗震等級，同時調(diào)整對應(yīng)民用建筑結(jié)構(gòu)的最小配筋率，以及采取錨固措施等。

文獻[10]規(guī)定，結(jié)構(gòu)的抗震等級與結(jié)構(gòu)的高度、結(jié)構(gòu)形式、跨度、設(shè)防烈度等相關(guān)。文獻[14]規(guī)定，橋梁的抗震等級與橋梁分類和設(shè)防烈度等相關(guān)。

新抗震規(guī)范第10.5.2條規(guī)定：特殊設(shè)防類、重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)的抗震等級宜取二級，標準設(shè)防類結(jié)構(gòu)的抗震等級宜取三級，其與結(jié)構(gòu)形式、跨度和地震烈度無關(guān)。

地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施由結(jié)構(gòu)措施和地基加固措施組成。其中，地基的加固措施取決于場地地質(zhì)條件，同民用建筑地基部分基本一致。

新抗震規(guī)范中結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施主要體現(xiàn)在軸壓比限值中。該值主要用來控制柱箍筋的配置。重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)在箍筋配置上強于標準設(shè)防類結(jié)構(gòu)，其余構(gòu)造措施基本無具體區(qū)別；對于馬蹄形或圓形隧道結(jié)構(gòu)，上述抗震構(gòu)造措施針對重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)和標準設(shè)防類結(jié)構(gòu)并無區(qū)別。事實上，根據(jù)新抗震規(guī)范，地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震等級已經(jīng)確定，無法參照民用建筑通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗震等級，進而對結(jié)構(gòu)通過抗震構(gòu)造措施來進行調(diào)整。

3.2 地震作用效應(yīng)調(diào)整

民用建筑對地震作用效應(yīng)的調(diào)整，是通過結(jié)構(gòu)抗震等級對地震作用采用不同等級的放大系數(shù)，如采取強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點等措施來實現(xiàn)的。提高抗震措施，主要體現(xiàn)在增加結(jié)構(gòu)薄弱部位的抗震能力上，它是一種經(jīng)濟有效的方法。對重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)采取的抗震措施為：通過對本地區(qū)設(shè)防烈度提高1度來確定抗震等級，進而實現(xiàn)對對應(yīng)梁柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力調(diào)整。

對于地鐵地下結(jié)構(gòu)，雖然新抗震規(guī)范規(guī)定對重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)所在地區(qū)提高1度進行抗震設(shè)計，但并未說明地下結(jié)構(gòu)是否也要通過內(nèi)力調(diào)整來滿足地下結(jié)構(gòu)的強柱弱梁、強剪弱彎和強節(jié)點設(shè)計等要求。同時，對于如何提高1度設(shè)防烈度來進行抗震措施設(shè)計，規(guī)范中并無明確規(guī)定。其次，同結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施，由于地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震等級已經(jīng)確定，與設(shè)防烈度無關(guān)，無法參照文獻[10]通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗震等級對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行調(diào)整；對于區(qū)間礦山法馬蹄形和盾構(gòu)圓形隧道，由于斷面中沒有明顯的梁柱節(jié)點，亦無法通過上述措施對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行調(diào)整。

由此可見，對于地鐵地下結(jié)構(gòu)，新抗震規(guī)范并未明確規(guī)定符合抗震設(shè)防標準要求的抗震措施是按照本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高1度的要求來制定的。因此，地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)該綜合結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)高度、地震烈度等因素來確定。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的抗震等級進行結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施和地震作用效應(yīng)的調(diào)整，以滿足抗震設(shè)防要求。同時，應(yīng)明確地震作用效應(yīng)的調(diào)整方法，尤其是增加地下區(qū)間礦山法馬蹄形和盾構(gòu)圓形隧道的具體調(diào)整措施，給出更為具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，以完善地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震措施的可操作性。

4 結(jié)論

針對新抗震規(guī)范，通過與地上民用建筑抗震設(shè)計相關(guān)參數(shù)進行對比分析，同時對地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題進行探討，得到如下結(jié)論：

(1)目前,對于一般的地鐵地下結(jié)構(gòu)，可遵循 “兩水準、兩階段”的思路來進行抗震設(shè)計。

(2)現(xiàn)有民用建筑、公路橋涵以及城市軌道交通的抗震設(shè)計，無論設(shè)計基準期為50 a還是100 a，無論結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a還是100 a，地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計地震動參數(shù)的選取都是基于50 a設(shè)計基準期、超越概率為10%的地震烈度而確定的。因此，地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的地震動參數(shù)選取應(yīng)與其設(shè)計基準期一致。

(3)地下結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)該綜合結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)高度和地震烈度等因素進行確定。

(4)應(yīng)完善地下車站結(jié)構(gòu)抗震措施的可操作性，針對不同抗震等級的地鐵地下結(jié)構(gòu)，應(yīng)明確地震作用效應(yīng)調(diào)整方法，并給出更為具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。

(5)應(yīng)增加地下區(qū)間礦山法馬蹄形和盾構(gòu)圓形隧道具體的抗震措施。