地震耦合作用下地下車站結(jié)構(gòu)的抗剪性能研究綜述

王 嗩

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系， 四川 成都 610399）

0 引言

我國所處的地殼板塊位于環(huán)太平洋地震帶，這條板塊是最大的大陸淺源強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)當(dāng)中的其中一個(gè)，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)比較頻繁。從全國范圍來看，在300多個(gè)城市中，有一半以上的地塊位于地震基本烈度7度或7度以上的區(qū)域，更有一些大城市是處在8度的高烈度地震區(qū)，例如北京、天津[1]。鑒于以上特殊地理?xiàng)l件，我國地下車站在設(shè)計(jì)初期首要面對的是問題就是抗震設(shè)計(jì)和抗震安全性能評估。

由于研究者們各自側(cè)重的角度不同，分析模型與方法上的差異，以及對震害機(jī)理和破壞模式的解析的側(cè)重點(diǎn)不一致，對地下結(jié)構(gòu)抗震性能的理解不同，導(dǎo)致在這方面的研究仍存在一些認(rèn)識上的歧義，至今未達(dá)成共識。

1 地震作用研究

對于地下車站結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究工作，在國內(nèi)外已經(jīng)累積了大量的理論、數(shù)值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于地震作用的外在因素影響，各方的認(rèn)識并不完全相同，多數(shù)解釋是認(rèn)為地震產(chǎn)生的土層水平變形施加到地下結(jié)構(gòu)上的剪切作用是主因[1]，部分研究者認(rèn)為豎向地震作用是主因[2-4]，也有專家[5，6]認(rèn)為應(yīng)耦合考慮地震的水平與豎向作用。

從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)上講，水平地震力是引起地下車站結(jié)構(gòu)破壞的決定性因素，而豎向地震力上所產(chǎn)生的影響并不明顯。周少斌[1]以日本大阪地鐵車站震害實(shí)例為模型進(jìn)行破壞機(jī)理，表明水平方向的地震波才是導(dǎo)致地鐵車站結(jié)構(gòu)震害主要原因。

近年來，研究者們在全球范圍內(nèi)所發(fā)生的強(qiáng)烈地震進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，這些震害調(diào)查數(shù)據(jù)顯示出，許多土木結(jié)構(gòu)的破壞是受到了豎向地震力作用的影響，甚至有時(shí)會(huì)成為導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)破壞的直接原因。在高烈度區(qū)，特別是震中區(qū)，豎向地震力對土木結(jié)構(gòu)的影響是非常明顯的。張延年等[7，8]研究指出，無論是否考慮豎向地震作用，MRD對結(jié)構(gòu)均有良好的控制作用，但是在考慮豎向地震作用存在時(shí)，其增量隨豎向地震作用呈遞增變化。因此該學(xué)者建議在高烈度地區(qū)的MRD結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮豎向地震作用對結(jié)構(gòu)的影響。尹奮[9]通過OpenSees對一棟3層鋼筋混凝土框架進(jìn)行增量動(dòng)力分析，驗(yàn)證了豎向地震作用的重要性。

黃昱華等[10]通過對比研究單維豎向地震波和耦合激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相應(yīng)模型， 得出在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中宜適當(dāng)考慮地震的耦合影響。在分析地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)將豎向地震作用作為重要因素予以考量，應(yīng)當(dāng)全面綜合考慮水平與豎向地震耦合作用對地鐵車站結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，以提高地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的合理性與安全性。

2 地下車站結(jié)構(gòu)抗剪性能研究

從現(xiàn)研究階段看，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律的研究已經(jīng)開展了很多年，但由于研究者們研究的側(cè)重面不同，在一些研究方向上仍有空缺。例如，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理的認(rèn)識并沒有達(dá)成共識，尤其是耦合地震作用形式和結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震能力（強(qiáng)度、變形、荷載轉(zhuǎn)移等能力）的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)性分析構(gòu)件強(qiáng)度、變形能力動(dòng)態(tài)調(diào)整的成果仍很缺乏[11]。

田雪娟[12]研究中指出中柱成為結(jié)構(gòu)中抗震不利的構(gòu)件的原因：雖然中柱是軸向受力構(gòu)件，但是地震作用下，結(jié)構(gòu)依然有剪切變形，因此柱子兩端相對位移增加導(dǎo)致柱端彎矩有較大的增幅，從而使中柱。李鳳麗[13]分別采用不同地震波，以上海市軌道交通某線地下車站為實(shí)例，分析研究了地震影響下地下車站結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪及變形能力。

一些學(xué)者通過數(shù)值模擬分析，提出了新的研究計(jì)算方法。陳之毅[14]通過模擬分析，提出了整體強(qiáng)制反應(yīng)位移法，該方法是一種地下結(jié)構(gòu)簡化抗震計(jì)算方法。朱俊[15]提出了一個(gè)FE-IBE耦合方法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)分析。路德春[16]在“中柱變形能力不足導(dǎo)致大開車站的塌毀”這一觀點(diǎn)基礎(chǔ)上，優(yōu)化分析了大開車站中柱的失效模式，從而提出一種新型疊層加芯柱以增加地鐵車站的穩(wěn)定性。

3 我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范研究

由于我國現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有對于地震作用反應(yīng)譜的規(guī)定做出詳細(xì)的規(guī)定，導(dǎo)致在現(xiàn)行規(guī)范中，缺乏完善的理論和實(shí)踐結(jié)果作為依據(jù)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在抗剪能力影響因素的調(diào)整系數(shù)上考慮較少。系數(shù)取值沒有針對性而以經(jīng)驗(yàn)為主，相較于國外規(guī)范而言數(shù)據(jù)值偏小，其有效性也還有待進(jìn)一步研究[17，18]。

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50011-2010（2016版）[19]在規(guī)范中沒有直接給出豎向地震作用設(shè)計(jì)的反應(yīng)譜，只是在第 5.3.1～5.3.4條中對豎向地震作用的計(jì)算方式給予了簡化的規(guī)定。在城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50909-2014[20]中，也只是同樣在第5.3.1和5.3.2條只對豎向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)給出了簡要規(guī)定。

侯莉娜[21]針對城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范中地震動(dòng)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。這說明，有必要進(jìn)一步分析合理的地下車站結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和失效模式，以及開展與之對應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)實(shí)用分析方法的研究，最終達(dá)到既要在安全性上有保證也要能夠合理的節(jié)約投資成本。

周航[18]根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范分別設(shè)計(jì)了低烈度區(qū)（6 度）和高烈度區(qū)（9 度）剪力墻和框架剪力墻結(jié)構(gòu)算例，考察了現(xiàn)行規(guī)范對剪力墻能力設(shè)計(jì)措施的有效性；通過算例分析，對比計(jì)算了幾種工況下，達(dá)到預(yù)期破壞模式情況下，結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力需求。鄧宇潔，梁發(fā)云[22]根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范和上海地方抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提供的分析方法，通過分析典型兩層雙柱三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模型對地震反應(yīng)進(jìn)行了對比驗(yàn)算。

許紫剛等[23]針對我國現(xiàn)行《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909-2014)推薦采用的反應(yīng)位移法展開了分析，得出該方法存在一定的局限性，對此提出了一種適用于復(fù)雜斷面地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析的廣義反應(yīng)位移法。

4 結(jié)論

在我國現(xiàn)行的規(guī)范中，對于結(jié)構(gòu)抗剪能力調(diào)整系數(shù)產(chǎn)生影響的因素考慮得還不夠全面，還沒能以足夠充分地實(shí)踐數(shù)據(jù)作為依據(jù)來形成完善的理論體系。在應(yīng)用中因?yàn)槿狈︶槍π缘匮芯浚远嘁越?jīng)驗(yàn)為依據(jù)取值，系數(shù)取值相較于國外的規(guī)范而言也偏小，其有效性也還有待研究。因此，有針對性地、全面綜合地，分析地下車站結(jié)構(gòu)地破壞機(jī)理和失效模式對指導(dǎo)地下車站結(jié)構(gòu)的抗剪性能研究至關(guān)重要，尤其是開展與之相適應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)實(shí)用分析方法的研究也是關(guān)鍵中的關(guān)鍵；系統(tǒng)性的研究成果不僅在安全性上有保證，也要能夠合理的節(jié)約投資成本。