提高地鐵車站結構抗震能力的理論及數(shù)值研究

孫長成

摘要：以某地鐵站為例，利用有限元理論，應用Midas-Gen軟件，對地鐵車站的抗震性能及地震反應特性進行分析。得出以下結論：地鐵車站圓尖角處彎矩大于圓拱處，二次襯砌與噴射混凝土軸力、彎矩情況大致相同，錨桿內(nèi)力較大值出現(xiàn)在拱部拱腳處；結構的自振周期隨二次襯砌的增加而減小，位移變化則增大，車站結構體系的自振周期隨車站的埋深增加而增大，體系位移變化減小。提出相應的改善措施。

關鍵詞：地鐵站；抗震性能；地震反應特性

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對出行效率的要求越來高，地鐵以其運量大。效率高而倍受各地交通部門的青睞。因地鐵最先應用于西方歐美國家，這些國家受震害相對較少，所以對地鐵抗震性能及地震反應特性研究很不充分。1995年的阪神地震中，地鐵車站，尤其是大開車站，混凝土開裂，鋼筋屈服，頂板沉降嚴重，造成嚴重財產(chǎn)損失及交通癱瘓，更是給我們敲響了一個警鐘。眾多的震害教訓表明：當遭遇強烈地震時，車站周圍土體變形很大，地下車站薄弱部位發(fā)生破壞，進而影響整個結構的穩(wěn)定性。我國地處歐亞大陸及環(huán)太平洋地震帶，受地震影響較為嚴重，因此研究地鐵站的抗震性能及特性，提高其抗震能力，顯得尤為重要。

1地下結構-巖土動力反應

在地下結構中，地鐵車站結構與周圍土體連成一個整體，從震源出發(fā)的地震波，通過周圍土體傳給地下車站而引發(fā)其震動，這時由車站結構引發(fā)的慣性力如同形成一個新震源作用在場地土上，新的震動由此形成并反過來作用于地下結構體系。兩個方面組成了地下結構-巖土的相互作用體系：（1）運動相互作用，即相互作用的約束地震動；（2）慣性力引發(fā)的相互作用。

在遭遇地震作用的地下結構變形與恢復力關系很難把握，我們通常將非線性的關系代之以分段線性化，受震動影響的結構質(zhì)量的變化一般較小，通常視之為常量。隨地震變化的阻尼亦視之為常量。

2地鐵車站結構抗震反應數(shù)值模擬

2.1現(xiàn)有地鐵結構分析

早在上世紀中期，地下結構的地震作用的計算方式為靜力法計算，在十年后當美國舊金山地區(qū)修建了地鐵快速輸送系統(tǒng)之后，傳統(tǒng)靜力法計算被替換為了BART方式，這種計算法則提出了地下結構的延性（在吸收強變形之后產(chǎn)生的延性）并不會失去承受靜載的功能，而非對慣性力的抵抗。但這種思想也很快被70年代日本相關研究者提出的地基抗力法、應變傳遞法以及反映位移法所取代。在上世紀80年代之后，相關研究基本上已經(jīng)廣泛使用了計算機技術并將其作為了研究的中堅力量；在此階段，地下結構數(shù)值法出現(xiàn)并在短時間內(nèi)迅速發(fā)展，包含了混合法、子結構法、有限元法以及抗震分析法等，具體情況如下：

地下結構的抗震方法研究主要可以分為解析方法以及數(shù)值方法兩種，具體而言：解析方法包含了靜力法、BART法、反應位移法、應變傳遞法以及福季耶娃法；數(shù)值方法包含了子結構法、有限元法以及混合法。

2.2一致地震動輸入

現(xiàn)如今對地鐵車站結構在地震方面的研究大多是建立在一致地震動輸入基礎之上的。部分研究者利用了土壤與車站結構之間起到的作用相互性復反應區(qū)對FLUSH程序進行分析，從而得出盾構隧道以及地鐵地下車站的地震反應。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，影響地震反應的參數(shù)主要有以下幾種：

2.2.1對于地鐵區(qū)域的地下車站而言，其結構動力反應主要是依靠了由于地震作用造成的地基變形狀態(tài)，在變型反應峰值方面以及場地自由場的變形峰值之間的反應也已算作是存在一種線性關系。雖然相對于地上結構而言，地鐵車站地震變型反應相對偏小，但其能夠產(chǎn)生的內(nèi)力反應仍舊處于較大程度。

2.2.2相對于將位移因素看作是地鐵地下結構震動參數(shù)設計而言，將地面與基巖之間的水平峰值設定為地震動參數(shù)將更為合理，尤其是在地震加速度的設計方面。部分研究者采用了名為MSC.Marc這種有限元程序聯(lián)合THUFIBER這種纖維模型程序（適用于鋼筋混凝土）已經(jīng)實現(xiàn)了對水平地震反應的實際操作分析，我國北京地鐵五號線中拱形單層三跨島式車站（崇文門站）便是利用了這一設計方法。

2.2.3對于地鐵隧道盾構結構而言，其襯砌材料在結構彈性模量方面對于地震反應的變化程度并不強烈。另外，襯砌的厚度狀態(tài)對于地震變型反應所產(chǎn)生的影響程度同樣不大，但在內(nèi)力反應方面會受到相對較大的影響。并且當盾構隧道處于并行狀態(tài)時，地震反應會隨著隧道間距的變化而變化，研究發(fā)現(xiàn)隧道之間的間距越大，受到的地震內(nèi)力反應便會越小，兩者呈現(xiàn)出負相關性。

上述參數(shù)研究結果說明，相對于矩形斷面結構而言，拱形斷面結構能夠有效降低并緩解拱形頂板出現(xiàn)的彎矩；但由于軸力的提升，相對于車站中柱下端而言，上端會承受到的軸力彎矩上會更大，但在軸力方面相差并不大。在采用Rayleigh波進行輸入時，首先應了解其作用下地鐵車站地下架構動力反應特性。這種情況應尤其注意埋深會對其產(chǎn)生的影響。相關研究發(fā)現(xiàn)，在地鐵車站埋深比臨界埋深大、也就是說超過了臨界埋深時，其埋深越深，結構動力反應便越??；在實際埋深與臨界埋深越接近時（尚未超出臨界埋深），其結構動力反應會受到Rayleigh波波形影響。

2.3非一致地震動輸入

現(xiàn)如今在地震動空間變異性的研究方面多數(shù)處于地面狀態(tài)，例如大跨度空間、大跨度橋梁、水電站大壩等。但地鐵屬于地下空間，地鐵車站結構同樣需要考慮到地下結構狀態(tài)。目前相關研究在多點極力地震波輸入方面已經(jīng)形成了階段性成果，在地下結構研究上因為存在于地基接觸產(chǎn)生的連續(xù)性，因此地震動空間變異還應該性縱向非一致連續(xù)波動輸入來思考。實際測量研究發(fā)現(xiàn)，地震動非一致輸入會在地下結構延伸長度處于100米以上時產(chǎn)生影響力。

在非一致地震波輸入中，除了需要考慮建立一個人工邊界（需要與波動輸入相應）之外，還應該注意地震波的非一致輸入性，其中對其產(chǎn)生較大影響的應該算是地震波產(chǎn)生的斜入射。研究者研究發(fā)現(xiàn)，在二維或是三維的均勻介質(zhì)方面，已經(jīng)實現(xiàn)了SV波與P波的斜入射輸入。部分研究者將這類斜入射輸入一維化時域，在推導時沒有將介質(zhì)阻尼因素考慮在內(nèi)。但這類對實際操作中會對土層產(chǎn)生不良影響的因素本不該被忽略，因此應進一步深入思考介質(zhì)阻尼的影響。另外，還應在此階段注意相干效應影響以及綜合局部場地效應的非一致性輸入。

3結語

在地鐵車站結構抗震能力的研究方面，理應從多角度考慮，在強震荷作用下，地鐵車站中柱端部若能夠設置合理，便可以達到減小地震狀態(tài)下結構出現(xiàn)的變性損傷，尤其是地鐵車站的柱子，并防止由于地震出現(xiàn)較大的損傷性破壞，從而提升地鐵車站抗震能力。

參考文獻

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