地鐵車站結構地震反應的影響分析

張彥嶺

摘要：在地鐵車站建設中，車站結構能否有效的對抗地震導致的車站力學結構變化是車站建筑質量的重要影響因素之一。因此，需要針對地鐵車站結構地震反應的影響進行全面的研究和分析。在本文中，使用模型計算方法針對某地鐵車站工程的結構地震反應進行了全面測算，并在這一基礎上探究了結構地震反應對地鐵車站產生的影響。

關鍵詞：結構地震反應;地鐵車站;模型計算

一、前言

在各種自然災害中，地震是一種預測難度最大，且危害比較嚴重的自然災害。由于地鐵的主體結構位于地下，因而地震會對地鐵的主體結構造成嚴重的破壞。在我國擁有地鐵的城市中雖然并未發生過嚴重地震，但日本等國家發生的地震造成的地鐵系統癱瘓以及人員傷亡為我國地鐵的建設工作提供了值得借鑒的經驗和教訓[1]。基于這一背景，有必要針對地鐵車站結構地震反應進行深入研究。

二、計算模型的建立

在本研究中，將采用模型計算法針對地鐵車站的結構地震反應進行研究，為保障研究的科學性，將針對計算模型的建立和計算過程進行詳細的分析與解讀。

（一）模型設計

本文以我國S市的某地鐵車站建設工程作為研究對象，并在這一基礎上建立地鐵車站結構地震反應的計算模型，測算該工程項目在地震爆發時可能產生的結構地震反應。該地鐵車站的施工場地存在厚度不同的軟涂層場地，因而研究其地震反應規律，對于施工企業進行結構設計和質量優化工作具有至關重要的意義[2]。同時，建立計算模型研究某地鐵車站工程的結構地震反應，也能夠為軟土層下地下建筑施工中的抗震設計提供一些參考依據。

（二）土體與混凝土的非線性動力模型

本文針對土體與混凝土的結構地震反應建立了軟土記憶型非線性動力模型。該模型主要針對軟土在地震發生時的變形特點，采用等向硬化與隨機硬化結合的理論建立模型。在混凝土非線性動力計算模型方面，采用的是混凝土粘塑性動力損傷模型。該模型的最主要計算指標就是混凝土在不同級別地震中產生的斷裂能。詳細模型見圖1與圖2。

（三）計算模型的建立機制

在本為中，作為研究對象的地鐵車站設計寬度為22.7 m，高度為12.3 m。車站結構底板厚度0.9 m，頂板厚度0.8 m，底層側墻與頂層側墻的厚度分別與底板、頂板厚度相同。在設計計算模型之前，首先需要深入研究上述數據，并在這一基礎上設計建筑結構地震反應的計算模型。

（四）數據的導入

在建立計算模型之后，導入相關數據進行計算。

1.在導入數據之前，需要對數據的準確性進行再次檢查，確保導入的數據為準確數據。

2.在進行數據導入的過程中，需要收集和整理國內外地震中地鐵車站的結構地震反應數據并進行研究，在這一基礎上將不同震級下地鐵車站的結構地震反應數據導入到模型中作為計算參數。

3.在導入數據之后，使用計算模型對本項目的結構地震反應數據進行計算[3]。

三、計算結果分析

（一）車站結構變形反應分析

通過計算發現，在場地條件不同的前提下，車站結構數據中頂底間最大水平位移反應值也會出現較大幅度的變化。具體來說，在地震動峰值加速度不斷增加的前提下，同一場地類型的地鐵車站結構頂底間最大水平位移反應值也會相應增長。詳細變化見圖3。同時，在場地條件相對較好的前提下，頂底間最大水平位移反應值的增速相對緩慢。而在場地條件相對較差的情況下，頂底間最大水平位移反應值的增速也會進一步增加[4]。從這一規律中可以發現，頂底間最大水平位移反應值的變化，與場地條件及地震動峰值加速度息息相關。在地震波對車站結構擺動幅度的影響方面，一般情況下，地震中地鐵車站結構的左擺幅相對較小，而右擺幅相對較大。在這一問題的影響下，在進行地鐵車站設計和施工的過程中，就需要對車站結構中容易產生較大擺動幅度的部位進行重點加固，從而避免地震對車站結構造成嚴重破壞[5]。同時，在地震時，與從車站上層建筑相比，下層建筑結構會受到更大程度的破壞。因此，需要對地鐵車站的下層結構進行重點的防震設計與加固。

（二）車站結構應力反應

通過對車站結構應力反應的相關數據進行分析可以發現，在場地土層硬度相對較高的前提下，地震發生時車站結構變形的幅度相對較小。在這樣的情況下，震級與破壞力相對較小的地震就不會對車站的主體結構造成嚴重破壞[5]。相比之下，土層硬度較小的場地，在地震來臨時車站結構的變形幅度較大，同樣等級的地震會對車站主體結構造成更大的破壞。因此，在進行地鐵車站建設的過程中，需要在規劃時盡量避開土層硬度比較小的施工區域規劃和設計車站。同時，在對車站主體結構進行施工的過程中，需要根據施工現場的土層硬度對建筑的主體結構進行加固，從而保障地震來臨時車站主體結構的穩定[6]。

四、結構地震反應的規律

在發生地震之后，地鐵車站的結構地震反應也呈現出一定的規律性。通過對這一規律進行研究，能夠為制定科學的車站結構加固方案打下堅實的基礎。具體來說，地震發生時車站結構的地震反應規律主要包括加速度反應規律、側向位移反應規律以及應力反應規律三個方面。

（一）加速度反應規律

在本研究中，首先針對搭地鐵車站結構的加速度反應規律進行了研究。通過研究發現，隨著土層硬度的降低，地鐵車站結構的加速度反應呈現出以下規律：

1.在土層硬度較高的前提下，車站整體結構的峰值加速度就會明顯增加。其中，底層結構的峰值加速度增長幅度最大。

2.在場地土層硬度減小的前提下，建筑結構整體的峰值加速度會出現降低趨勢，但底板處的峰值加速度會進一步增大[7]。之所以出現這一情況，主要的原因是軟土層能夠對地震波起到一定的衰減作用。同時，中板處的峰值加速度變化幅度則相對較小。

3.在土層硬度進一步降低的基礎上，軟土層對地震波的衰減作用也就無法充分發揮。因此，如果土層硬度進一步減小，則車站結構中底板、中板、頂板的加速度都會出現進一步降低的趨勢。同時，隨著土層硬度的進一步減小，這一趨勢會變得愈發明顯。根據這一規律，需要在車站結構設計與施工過程中根據土層硬度采取不同的加固措施對車站結構進行進一步加固，從而保障車站結構的穩定性，加強其抗震能力[8]。

（二）側向位移反應規律

在地震強度較大的情況下，軟土層就會產生比較大的變形，進而導致地鐵車站的側墻發生位移或變形。而在不同的土層條件下，地鐵車站的結構側位移反應也會呈現出一定的變化規律。具體來說，包括以下幾個方面：

1.在軟土層位于地鐵車站側向地基或附近的前提下地鐵車站整體結構的側向位移幅度會增大。同時，位移增加的幅度會隨著軟土層的增厚而進一步增加。因此，在進行地鐵車站設計和規劃的過程中，需要盡量避免車站側墻及周邊存在軟土層。如果確實無法避免，就需要對車站側墻進行重點加固[9]。

2.當軟土層位于車站結構底部時，由于軟土層會對地震波產生一定的專兼作用，因而車站整體結構在地震中的擺動幅度會隨著土層厚度的增加而逐漸減小。需要注意的是，如果土層硬度過低，則軟土層對地震波的衰減作用也會減弱。因此，在進行地鐵車站施工的過程中，可以在底部鋪設硬度和厚度適中的軟涂層，從而降低地震波對車站結構的破壞作用[10]。總之，只有合理規劃了軟土層的位置和厚度，才能更加有效的發揮其對地震波的衰減作用，保護地鐵車站的整體結構不被嚴重破壞。

（三）應力反應規律

通過對地鐵車站結構動應力反應過程進行計算和動畫演示可以發現，在地震發生時，地鐵車站結構動應力反應過程主要表現出以下規律：

1.在其他條件大致相當的前提下，車站結構中側墻部位、上側墻頂部、下側墻頂部的應力反應明顯大于其他部位產生的應力反應。其中，下側墻底部的應力反應大于其他部位的應力反應[11]。由此可見，當側墻中部和底部存在軟土層時，車站結構對地震產生的應力反應更加強烈。因此，在規劃和設計地鐵車站時，需要盡量避免這一問題的產生。只有如此，地鐵車站在地震中的結構穩定性才能得到有效的保護。

2.在軟土層位于車站側墻中部時，地震時上層中柱產生的應力反應最大。在軟土層位于車站側墻下部時，地震過程中下層中柱的應力反應最大。因此，如果在車站設計和施工過程中無法全面消除側墻附近的軟土層，就需要根據軟土層位置的不同對相應位置的側墻和中柱結構進行更加系統的加固和強化[12]。只有做到這一點，才能在地震爆發時盡量避免車站結構變化造成的損失。

3.當軟土層位于車站結構底部時，雖然會對地震波產生一定程度的衰減作用，但同時也會導致水平樓板的應力反應加大。因此，在非必要的情況下，盡量不要在軟土層附近規劃和修建地鐵車站。

五、結構地震反應產生的影響

通過以上研究發現，在地震發生時，地鐵車站等地下建筑會產生不同程度的結構反應。具體來說，就是地下建筑的結構發生變化，導致地下建筑的損壞或坍塌。這種情況不僅會造成不同程度的經濟損失，而且有很大可能導致人民群眾出現重大傷亡。因此，需要對地震反應產生的影響進行全面分析，并采取科學的措施盡量削減地鐵車站的結構地震反應。只有如此，才能有效的保護人民群眾的生命財產安全，保障城市交通的順利運行。

（一）對車站整體結構的影響

在地震發生時，結構地震反應對車站整體結構產生的影響主要包括以下幾個方面：

1.地震會導致車站結構產生側向位移，對車站的整體結構造成不同程度的破壞。在這一前提下，車站發生坍塌的幾率就會大幅度增加，從而增加了地鐵車輛與司乘人員的安全風險。

2. 在地震時，結構的變化會導致部分地面或墻體出現塌陷、損壞等問題，影響到地鐵車站的正常使用，同時威脅地鐵車站中人員的生命安全[13]。

3. 在車站結構發生變化的前提下，車站中的各種精密設施也就無法正常使用，導致地鐵運行完全或部分癱瘓。這種情況不僅影響到城市交通的通暢程度，而且會對城市的重建和經濟發展造成不利影響。

（二）對混凝土結構強度的影響

地鐵車站結構地震反應的影響還體現在對混凝土結構強度的影響方面。具體來說：

1.在發生地震之后，地鐵車站結構產生的側向位移并不平均。一般來說，周圍存在軟土層的車站側墻發生位移的幅度較大。相比之下，側墻周圍土層硬度較高的部位側向位移的幅度較小。在這樣的情況下，車站的整體混凝土結構就會遭到不同程度的破壞，進一步降低建筑使用的安全性。

2.在地震波的刺激下，混凝土構件內部會出現不同程度的損傷。在地震強度不高的情況下，這種損傷一般無法通過肉眼直接發現。如果繼續使用該地鐵車站，就會形成不同程度的安全隱患。

3.在混凝土構件和整體結構的強度受到損傷之后，部分混凝土構件會出現開裂、損壞等問題。在這些問題的影響下，地鐵車站也就無法正常投入使用，導致地鐵交通部分或完全癱瘓[14]。

（三）對交通網絡的影響

地鐵車站結構地震反應對交通網絡的影響主要體現在以下兩個方面：

1.在發生地震之后，地鐵車站的整體結構會遭到不同程度的破壞，導致車站的作用無法正常發揮。在這樣的情況下，地鐵交通線路勢必會出現部分乃至全部停運的問題。

2.在進行地鐵車站規劃和設計的過程中，車站的位置往往被規劃在城市主要交通線的地下。在發生地震之后，如果地震強度過高或地鐵車站的結構強度不足，就會出現地鐵車站塌陷問題。在這一問題的影響下，地上交通線路也會出現部分或全部癱瘓的問題。因此，可以說，對地鐵車站的結構進行優化和加固，能夠在地震發生時為城市交通安全與通暢提供一定程度的保障[15]。

六、結語

綜上所述，作為城市交通的重要樞紐，地鐵車站結構的穩定在地震發生時會對城市交通的通暢程度以及災后重建工作產生至關重要的影響。因此，需要針對地鐵車站的結構地震反應及其影響進行深入研究。通過本研究，針對地鐵車站結構地震反應總結了以下規律：

（一）在車站側墻附近存在軟土層的情況下，車站的結構地震反應強度會比較激烈，進而導致車站整體結構受到更大程度的損壞。

（二）車站底層結構存在一定厚度的軟土層有利于削弱車站的結構地震反應，但過厚的軟土層會導致其對地震波產生的衰減作用減弱或消失，進而破壞車站的整體結構。

（三）在其他條件大致相當的情況下，軟土層越厚，車站的結構地震反應越激烈，車站結構在地震中的損壞程度也就越高。因此，在進行地鐵車站規劃和設計時，應該盡量規避和繞開軟土層。如果必須在軟土層附近規劃和建設地鐵車站，則需要對軟土層的位置和厚度進行合理的規劃與改造。同時，還需要根據軟土層分布的特點，針對地鐵車站的結構進行科學的設計和加固，從而保障地震時地鐵車站的結構穩定性。

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