地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用研究

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1 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震危害的特征

通過(guò)一系列的地震觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)特性主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:(1)地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震破壞程度通常較之于地上的破壞程度要低;(2)地鐵地下深埋結(jié)構(gòu)受地震破壞的程度通常比埋藏深度較淺的結(jié)構(gòu)受到的影響輕;(3)土壤之中的地下結(jié)構(gòu)較之于巖石之中的結(jié)構(gòu)更加容易受到地震破壞作用;(4)就巖石之中的地下隧道來(lái)說(shuō)，應(yīng)用措施主要是提高圍巖與襯砌的整體性，這樣能夠使得地鐵隧道的抗震能力有效提高;(5)在對(duì)稱(chēng)動(dòng)荷載的影響之下，地鐵隧道結(jié)構(gòu)通常會(huì)更加穩(wěn)定。若僅僅增加襯砌的剛度與厚度，而不增強(qiáng)附近軟弱圍巖，這必然會(huì)使得襯砌之中出現(xiàn)過(guò)大的內(nèi)力情況;(6)在相同的震中距以及地震強(qiáng)度的條件之下，地下結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn)海程度通?？梢杂煞逯档孛嫠俣却笮∨c峰值地面加速度所決定;(7)地鐵地下結(jié)構(gòu)破壞程度會(huì)在很大程度上受到地震持續(xù)時(shí)間的影響;(8)高頻分量的地震波可能會(huì)致使混凝土與延時(shí)產(chǎn)生剝裂的情況，但是這單單對(duì)震中距較短的地鐵地下結(jié)構(gòu)具有明顯的影響;(9)相對(duì)于波長(zhǎng)地鐵地下結(jié)構(gòu)的尺寸較小的時(shí)候，其對(duì)附近地基地震所產(chǎn)生的影響也較小，如果地震波波長(zhǎng)達(dá)到隧道口徑的1 到4 倍，就會(huì)不斷放大振動(dòng)效果;(10)地下隧道在地面出入的時(shí)候肯呢個(gè)會(huì)由于邊坡失去穩(wěn)定性而出現(xiàn)各種破壞問(wèn)題。

2 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析方法

通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析方法主要有兩個(gè)，分別是:靜力法或擬靜力法、土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用法，下面將對(duì)這兩種分析方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹:

2.1 靜力法或擬靜力法

應(yīng)用靜力法或者是擬靜力法來(lái)開(kāi)展地震分析的時(shí)候往往對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震變形進(jìn)行分析，分為下列類(lèi)型:橫截面剪切變形;軸向彎曲變形以及軸向拉伸或壓縮變形。通常而言，靜力法或者擬靜力法的物力概念較為清晰，而且計(jì)算方法較為加單，工作量較小，參數(shù)較易確定，再加之工程經(jīng)驗(yàn)較為豐富，較易被工程師所接受，所以大部分地下結(jié)構(gòu)實(shí)用抗震分析法都在這一范疇之中，如:應(yīng)變傳遞法、反應(yīng)位移法以及地震系數(shù)法等。

2.2 土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用法

地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析中應(yīng)該對(duì)土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用法予以重點(diǎn)分析，這一問(wèn)題是土動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)之中非常復(fù)雜的一個(gè)課題，設(shè)計(jì)眾多方面的因素，比如說(shuō):遠(yuǎn)場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)、基地以及結(jié)構(gòu)等。當(dāng)前對(duì)土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用問(wèn)題的求解方法主要分為兩種:數(shù)值方法與解析法。其中，解析法通常建立于在線彈性理論或者粘彈性理論的基礎(chǔ)上，沒(méi)有廣泛的通用，而數(shù)值法以有限元法作為代表，其能夠?qū)θ我馔陚溥呏祮?wèn)題進(jìn)行求解，所以能夠進(jìn)行廣泛的應(yīng)用與研究。應(yīng)用有限元法來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)力互相作用問(wèn)題進(jìn)行分析的時(shí)候，需要綜合考慮微理想化與宏理想化兩個(gè)方面。其中微理想化指的是有限單元的設(shè)計(jì)過(guò)程，其需要對(duì)土動(dòng)力非線性、結(jié)構(gòu)材料的非線性以及結(jié)構(gòu)-地基動(dòng)態(tài)接觸非線性等進(jìn)行考慮;而宏理想化指的是有限元模型整體輪廓的設(shè)計(jì)，其主要包括輸入地震動(dòng)、邊界條件以及整體尺寸等方面的內(nèi)容，其中最為重要的就是對(duì)模型邊界確定的分析，也就是人工邊界的設(shè)置問(wèn)題。在應(yīng)用土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用法時(shí)需要對(duì)人工邊界、土的非線性動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系以及鋼筋混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型等進(jìn)行考慮。

3 地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用存在的問(wèn)題

雖然地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題的研究已取得了一定的成就，但是因?yàn)閱?wèn)題的復(fù)雜性，使得這一方法與理論還不能使得工程的實(shí)際需求得以滿足，仍然需要在模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及理論分析等方面進(jìn)行更加深入的研究。當(dāng)前地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析之中亟待解決的問(wèn)題主要包括以下兩個(gè)方面:

3.1 土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用分析模型

就微理想化角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在在鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)材料的非線性的性質(zhì)研究已經(jīng)取得了一定的成就，表現(xiàn)為:結(jié)構(gòu)—地基動(dòng)態(tài)接觸非線性研究取得了一定的進(jìn)展，就土的非線性問(wèn)題的研究雖然當(dāng)前尚未存在一個(gè)具有廣泛適用性的模型，但是已經(jīng)具有針對(duì)具體問(wèn)題的實(shí)用、合理的模型。這些研究已經(jīng)取得了一定的成果，但怎樣根據(jù)這些成果來(lái)構(gòu)造出恰當(dāng)?shù)牡罔F地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析模型仍然應(yīng)該開(kāi)展深入的探討與研究。就宏理想化角度來(lái)說(shuō)，怎樣將地基靜力效應(yīng)與半無(wú)限性對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)影響給科學(xué)的反應(yīng)出來(lái)是非常重要的一個(gè)問(wèn)題。就地鐵區(qū)間隧道與車(chē)站等地下結(jié)構(gòu)而言，附近地基的特性能夠?qū)Y(jié)構(gòu)破壞特征與地震反應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在地震反應(yīng)中，附近地基特別是上覆土層的重力效應(yīng)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)地震產(chǎn)生非常重要的影響。要合理解決這一問(wèn)題需要對(duì)靜力人工邊界與動(dòng)力人工邊界進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置與確定，因?yàn)楫?dāng)前已經(jīng)存在的動(dòng)力人工邊界通常無(wú)法適用地下結(jié)構(gòu)—地基系統(tǒng)的靜力分析，所以經(jīng)常會(huì)采用對(duì)動(dòng)力問(wèn)題與靜力問(wèn)題應(yīng)用不同人工邊界的方法進(jìn)行解決。就靜力問(wèn)題而言，應(yīng)用靜力邊界或人工邊界，而就動(dòng)力問(wèn)題則應(yīng)用動(dòng)力人工邊界，進(jìn)而獲得兩種不同分析模型。對(duì)于不同的模型則可以獨(dú)立開(kāi)展動(dòng)力分析與靜力分析，然后組合這兩種分析的結(jié)果，或先對(duì)靜力問(wèn)題進(jìn)行分析，再在靜力分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展動(dòng)力分析。這兩種做法不但非常麻煩，而且無(wú)法將地下結(jié)構(gòu)周?chē)鼗亓π?yīng)情況很好的反應(yīng)出來(lái)。所以，在開(kāi)展動(dòng)力分析的時(shí)候應(yīng)該對(duì)靜力分析的靜—?jiǎng)恿y(tǒng)一人工邊界予以統(tǒng)一考慮。并且將直接于靜—?jiǎng)恿y(tǒng)一人工邊界之上開(kāi)展地震波長(zhǎng)輸入法予以提出。

3.2 地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式以及抗震性能的評(píng)估法

通過(guò)一系列的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力互相作用分析法能夠當(dāng)做一種可靠分析法，在對(duì)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論研究中具有非常重要的作用。而對(duì)地下結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)以及開(kāi)展常規(guī)地鐵地下工程抗震設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該研究出更加實(shí)用、便捷的方法。通過(guò)當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)中存在的設(shè)計(jì)方法，將新的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式以及抗震性能分析方法給發(fā)展出來(lái)，具有非常重要的作用。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》之中要求在建筑抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該開(kāi)展大震作用之下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形驗(yàn)算，就地鐵地下結(jié)構(gòu)而言，必然需要開(kāi)展大震影響下的彈塑性變形驗(yàn)算。當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的彈塑性分析法主要包括:靜力彈塑性分析法、動(dòng)力時(shí)程分析法以及靜力增量分析法。其中靜力增量分析法較為簡(jiǎn)單，但是這一方法并未對(duì)結(jié)構(gòu)自震特性與地震作用間的關(guān)系予以考慮;而動(dòng)力時(shí)程分析法因?yàn)榭梢詫⒌卣鸱磻?yīng)中各個(gè)時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力形態(tài)給計(jì)算出來(lái)，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)屈服與開(kāi)裂的順序給確定下來(lái)，并且確定塑性與應(yīng)用變形較為集中的位置，進(jìn)而能夠?qū)⒖赡芷茐牡念?lèi)型、薄弱環(huán)節(jié)與屈服機(jī)制給判明，應(yīng)用這一方法所得到的結(jié)構(gòu)通常比較準(zhǔn)確，但是其所需的計(jì)算量較大，計(jì)算結(jié)構(gòu)通常會(huì)受到選取地震波等因素的影響，將其用在常規(guī)抗震分析之中還有較大的困難。靜力彈塑性分析法是一種新結(jié)構(gòu)抗震分析法，應(yīng)用這種方法不但較為簡(jiǎn)單，而且能夠較為準(zhǔn)確的對(duì)地震作用之下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況進(jìn)行評(píng)估，從而得出較為廣泛的應(yīng)用與研究。

因?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特點(diǎn)與規(guī)律并非完全一樣，所以當(dāng)前在地上結(jié)構(gòu)較為適用的靜力彈塑性法還無(wú)法在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中得以有效應(yīng)用，而且因?yàn)槭艿礁浇鼗闹萍s，地上結(jié)構(gòu)的變形形式與地上結(jié)構(gòu)有所不同。較之于地上結(jié)構(gòu)，地鐵地下結(jié)構(gòu)在整體出現(xiàn)較小變形的時(shí)候局部?jī)?nèi)力或許會(huì)非常大，無(wú)法單純的套用地上結(jié)構(gòu)變形極限值來(lái)進(jìn)行地上結(jié)構(gòu)在地震作用下的極限進(jìn)行準(zhǔn)確推算，所以應(yīng)用發(fā)展一種可以與地鐵地下結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的地震設(shè)計(jì)方法與方案分析，從而有效的突破當(dāng)前承載力設(shè)計(jì)方法的制約，使得地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用研究對(duì)于保證地鐵的安全運(yùn)行具有非常重要的作用，當(dāng)前我國(guó)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論雖然取得了一定的進(jìn)步，但是仍然存在不完善的地方，需要相關(guān)人員予以不斷的完善，并且將其不斷的應(yīng)用于實(shí)際之中，從而切實(shí)保證地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論的科學(xué)性，這需要相關(guān)工作者予以不懈的努力。

［1］李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用研究［D］.清華大學(xué)，2005.

［2］孫超.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震性能及分析方法研究［D］.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2009.