淺談地鐵結構抗震研究中的若干問題

郭建飛

中交（西安）鐵道設計研究院有限公司 陜西西安 710065

大家普遍都認為地下結構是具有較為良好的抗震性能的，但是從實際情況來看，我國對于地下結構的抗震減震理論的研究還是比較少的，因此相關的施工還存在著這方面的風險，為了進一步的保證社會經濟的發展和人們出行的安全，必須要對地鐵工程的抗震減震進行重視[1]。

1 進行地鐵結構抗震研究的必要性

隨著我國社會的不斷發展，城市化進行的不斷加快，我國可以利用的土地資源變得非常有限，大規模的對地下空間進行開發是未來發展的重要趨勢。城市化的發展會帶來大量的人流，尤其對于大城市來說，地下結構的工程建設是非常必要的內容，但是我國又是多震國家，這會對我國地下工程的建設造成比較大安全威脅。從現階段的抗震成果來看，整個世界對于地面結構的抗震研究已經有了不錯的成果，但是與此相比的地下結構卻還在起步的階段，地下結構的抗震研究在世界范圍內都沒有得到足夠的重視，因此一旦出現地震，對地下結構的危害就是非常大的。我國對地下結構的抗震研究主要還停留在傳統的靜力理論當中，但是對于地下結構來說，這種理論是無法有效的對其中的應力反應做出準確反映的，因此要對加強研究。

2 地鐵結構地震反應的特點

地下結構的地震反應和地面結構的地震反應是存在著比較大的差距的，對于地面結構來說，它可以對地震波進行一定程度的過濾和緩沖，但是地下結構卻不是如此，它主要是受到周圍巖土介質的振動而出現擠壓和變形。一般來說，地下結構出現應力不是因為慣性的作用，主要是因為地基應力出現應變狀態的改變，然后再加上地下結構本身獨有的剛度，就會對地震波場造成一定的改變，這樣就會難以對地下結構周圍的波場進行確定。此外，對于地面建筑來說，它的尺寸一般都是比地震波場小的，因此可以將其基礎各點的運動視為相同，但是對于地鐵結構來說，它的尺寸是比較長的，其基礎各點的運動會出現一定的不同。除此之外，還與地貌、埋深和等有一定的聯系。總之，影響地鐵結構抗震安全性的主要因素就是結構形式、尺寸、埋深以及結構材料的特性和地震動強度等等。由地震可能導致的地下結構破壞主要有土體的液化、斷層位移、邊坡失穩等等。

3 地鐵結構抗震研究中的主要問題

對于地鐵這樣的地下結構來說，與此相關的理論分析和方法的提出都與人們對地震的具體認識和科學技術的進步性有著非常密切的關系。隨著世界地震觀測的不斷完善，適用于地鐵車站結構的地下結構分析理論和方法也漸漸被提了出來。

3.1 抗震分析的實用方法

（1）地震系數法。這種方法主要是在大森房吉靜力理論的基礎上進行發展而來的，與地面建筑的抗震分析差不多，把地震動加速度產生的慣性和結構一側的主動側壓力對地下結構進行施壓，然后利用靜力理論對地下結構地震響應進行一定程度的分析。

（2）自由場變形法。自由場變形的抗震分析方法是比較簡單且有效的，這種方法是在20世紀60年代提出的。

（3）土-結構擬靜力相互作用法。這種方法的主要思想就是講地震波動場分析作為基礎的，在自由場變形的機場上在乘上一個結構相互作用的系數，進而得到結構的變形，再將變形進行施加，從而根據靜力理論進行結構內力反應的計算。

（4）地下結構Pushover分析法。該方法的基礎是地面結構的分析方法，是一種彈塑性分析方法，比較適用于地鐵結構的抗震分析。具體來說主要是在給出水平荷載分布形成和目標的位移之后，再對結構在地震動作用下的影響做出一定的分析，較高的可靠性和精度是其主要的優點。另外，這種方法的參數確定是比較單一的，荷載的施加也比較方便，是對地鐵進行抗震分析的有效方法。

（5）動力時程分析法。動力時程分析法可以分成幾種不同的方法，有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法、雜交法、非連續變形分析法等都是其中重要的方式，這些方法都是解決地震作用結構動力響應中的有效方法。

3.2 抗震研究的主要模型技術

（1）地下結構振動模型試驗研究技術。該模型試驗能夠對地下結構地震反應和抗震性能進行一定的分析和研究，振動模型試驗研究主要有普通振動臺試驗和離心機振動臺試驗。對目前的階段來看，普通振動臺試驗是比較廣泛的抗震試驗方法。雖然在試驗的結果會與實際的原型有一定的差距，但是對于國內的抗震研究來說，還是具有比較重要的意義的。因為國內振動臺的數量較多，能夠為國內相關的實驗和研究打下一定的基礎，使得國內的地下結構抗震研究變得更加深入。在今后的研究過程中，要進一步的對其試驗設計和材料選取以及配重施加等方面進行重視，對存在的問題進行更好的優化和解決。

（2）土體非線性動力本構模型。土體非線性動力本構模型是研究土動力學的核心內容，能夠對土動力失穩變形等問題進行分析。就目前的研究來說，主要可以分為粘彈性模型和彈塑性模型，在對地下結構的抗震研究中有一定的作用但是也存在著一定的不足和缺陷，需要進一步的進行優化[2]。

（3）大型三維非線性土-結構動力相互作用分析模型。地鐵結構等地下結構的構造是比較復雜的，因此在對其進行研究的時候，要將其置于一個比較復雜的地震動場當中，因此需要一個合適的人工邊界來對其中的應力進行分析。將大型地下結構與周圍土體動力相互作用的三維非線性動力災變分析作為核心，然后與高效的算法進行結合，對相關的分析模型進行建立，進一步的推動地下結構的抗震分析研究。

4 結語

綜上所述，地下機構工程的安全性是比較重要的內容，對整個城市的發展和社會經濟的提升具有重要意義，因為地下結構具有比較的復雜性和特殊性，現階段還沒有相關的抗震理論和模型方法能夠計算復雜場地條件下的結構地震動響應，因此必須要加強對這方面的研究和分析。