浅析地铁等地下结构的抗震分析和设计中的问题

工程技术　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　墨圆　浅析地铁等地下结构的抗震分析和设计中的问题①　王涛　（中煤科工集团武汉设计研究院　湖北武汉４３００００）　摘要：目前我国还没有系统完善的地铁等地下结构抗震分析方法和专业的地铁等地下工程结构抗震设计规范，本文首先总结了我国地　铁等地下工程结构抗震分析和设计的现状，围绕地铰设计当中的几个关键问题展开讨论，问题包括：合理的地铁工程结构的动力分析模型；　有效的结构和土动力相互作用分析方法；地铁等地下工程结构破坏模式和地铁抗震性能的评估－地铁工程结构的抗震构造措施和地铁穿　过地震断层时的设计和施工方法。这些问题的分析和讨论有助于我国地铁工程结构设计的发展进步。　关键词：地铁　抗震设计　地下结构　中图分类号：Ｐ３１　５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—３７９１（２０１　３）０４（ｂ）－００５９—０１　伴随着我国经济的发展，城市建设日　新月异，城市交通的压力也越来越大，地铁　以其高效、快速和清洁的优点成为各大城　市的选择。到目前为止，我国已进入了地铁　建设的黄金期。与此同时，必须认识到地铁　工程也是城市生命线工程，地铁工程的抗　震问题是城市防灾减灾和抗震的关键环　节。然而，国内还没有独立的地铁等地下工　程结构抗震设计规范，现行《地铁设计规　范　在地铁的抗震问题上只是做了简单的　规定，没有对地下结构的抗震设计方法进　行系统的总结和归纳。出现这些问题的原　因是由于人们对地下结构的地震危害认识　不够，对地下结构的抗震设计不够重视，客　观地说，地铁等地下结构的地震危害小于　地上结构，但是国外的地震灾害（如ｌ　９９５年　日本阪神大地震）证明在地下底层发生较　大位移或变形时，地铁等地下工程结构同　样会发生很严重的灾害，地铁等地下结构　的抗震设计问题应该重视。　目前对地铁等地下结构抗震性能的研　究主要是通过原型观测、模型试验及数值　模拟进行，由于抗震问题的复杂性，没有哪　种方法能够全面且真实的解释和模拟地　铁等地下工程结构的动力性能，而需要结　合三种方法的结论进行综合比较分析。本　文主要分析总结地铁抗震分析设计中的几　个关键问题。　一很有必要发展一种对静力分析及动力分析　都可以适用的静力一动力人工边界，直接　在边界上输入地震波，计算结构的地震反　应。　２　结构的地震破坏模式及抗震能力的评　估　现在常用的动力时程分析方法适合分　析地铁等地下工程结构，但是应用这种方　法进行地铁等地下工程结构的承载力极限　状态评估和抗震设计时就有一些不足。地　面建筑结构主要通过验算结构在地震作用　下的弹塑性变形来进行抗震能力的评估，　对于地铁等地下工程结构来说，计算结构　在地震作用下的弹塑性变形也是十分必要　的。相对地面结构来说，在应用地震时程分　析方法对地下结构的地震反应进行计算时　计算量很大，且计算的结果手地震波的影　响也很大，计算结果应用与地铁等地下工　程结构的抗震设计时有困难。此外广泛应　用于地上结构抗震计算的静力增量分析法　￣ｌｐｕｓｈ－ｏｖｅｒ方法，受到地上结构和地下结　构地震反应规律不同的影响，也无法适用　于地铁等地下工程结构的抗震计算。此外，　和地上结构不同，地铁等地下工程结构受　到周围地基的约束很大，地下结构整体在　发生很小的变形时，在局部会产生很大的　内力，不能把地上结构的极限状态标准应　用于地下结构。总结地铁等地下工程结构　受到地震作用时的内力一变形规律和破坏　模式，有必要进行进一步的试验研究和理　论分析，考虑地下结构受到地基约束的特　点，提出地铁等地下工程结构基于位移的　抗震设计和分析方法，建立地铁等地下工　程结构抗震性能的量化指标体系，使地铁　等地下工程结构的抗震设计更加合理。　而是应该根据不同的施工方法和围岩条　件，计算分析地下结构在地震作用时的破　坏特点进行有针对性的抗震构造设计。抗　震构造是提高结构在地震作用时整体抗震　能力，增加结构延性的重要手段，在一定的　条件下，设置抗震构造措施会比单一的提　高结构抗震设防标准更加经济合理。地铁　等地下工程结构的抗震构造应该重在改善　结构的薄弱部位，提高结构的耗能能力，增　加结构的整体延性。　４地铁等地下结构穿越地震断层时的设　计和施工　我国的《建筑抗震设计规范》ＧＢ５００ｌ　ｌ一　２００１要求建筑物的选址应该避开地震断层，　防止地震作用时对结构造成破坏。这一要　求对地面建筑来说是合适可行的，但是对　于地铁等地下工程结构来说，穿越地震断　层有时候无法避免。目前我国有对地埋管　线和地下管道等小断面结构穿越地震断层　的抗震设计研究，对地铁等地下工程结构　的研究还不多。伴随着在我国北京上海等　大城市进行的地震活动断层的勘探，对地　震断层区域的掌握，有必要根据地震活动　断层的特点，对地铁等地下工程结构进行　必要的抗震设计，保证结构的安全可靠。　５结论　地铁等地下工程结构的造价高、设计　使用周期长，是生命线工程，发生破坏时，　造成的损失巨大，修复十分困难，造成的经　济损失大。伴随着我国地铁建设高潮的来　临，有必要完善地铁等地下工程结构的抗　震分析设计方法和抗震结构构造，开展地　铁等地下工程结构的抗震试验研究、理论　分析和数值模拟都具有重要的工程应用价　值。　１结构和土相互作用的分析模型　在地震作用时，地铁等地下工程结构　和土会出现弹塑性和非线性的特点，相互　之间的接触有可能出现局部的滑移和脱　离。因此，在建立结构和土相互作用结构模　型时要考虑结构材料的非线性、结构和地　基接触的非线性、近场地基和远场地基的　非线性等因素。目前对这几种非线性的单　个研究已经很成熟，但是在实际工程中如　３地铁结构的抗震构造措施　何综合利用这些非线性的研究成果来建立　目前，国内对地铁等地下工程结构构　合理的地铁等地下工程结构的分析模型还　件的抗震构造措施没有统一认识和标准。　要进一步的讨论。　有人认为在地下结构和地上结构一同建造　地铁车站等地下结构受到场地周围地　时，才需要按照地面结构的抗震构造措施　基地震反应的影响十分显著，在地震作用　进行设置，当只有地下结构时，地下结构受　时，地铁周围的土特别是上层覆土的重力　到地基的约束较强，地震作用时不会有交　作用对地铁结构的影响不容忽视，因此，如　变内力出现，不需要对单建的地下结构进　何在分析模型中体现地铁地基的静力作用　行抗震构造的设计。另一种观点认为地铁　和地基的半无限性也是一个很重要的问　等地下工程结构需要按照地面民用建筑的　题。解决这一问题主要靠合理的设定静力　抗震构造措施进行设计。总的来看，这两种　人工边界和动力人工边界，但是目前的边　观点都不全面，地下结构不同于地上结构，　界模型一般来说不适合应用与地下结构，　但是也不能忽视地震对地下结构的破坏，　参考文献　［１】马险峰．地下结构的震害研究［Ｄ】．上　海：同济大学，２０００．　［２］董鹏，周健．士与结构相互作用下的地　下建筑物动力可靠性分析【Ｊ］．建筑结构　学报，２００４．　【３】毕继红，张鸿，邓儿．基于耦合分析法的　地铁隧道抗震研究［Ｊ】．岩土力学，２００３．　［４】施仲衡，王元湘．关于地铁工程抗震设　计的若干问题［Ｒ】．北京：北京城建设计　研究院，２００２．　①作者简介：王涛（１９８ｌ，９一），男，湖北武汉市人，毕业于中国矿业大学土木工程专业，本科学历，工程师，现在中煤科工集团武汉设计　研究院从事建筑结构设计工作。　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　５９