地鐵結(jié)構(gòu)抗震研究中的若干問(wèn)題

郭健

摘 要：地鐵的建設(shè)為我國(guó)城市解決交通堵塞問(wèn)題的解決做出了巨大的貢獻(xiàn)，我國(guó)是一個(gè)出現(xiàn)地震頻繁的國(guó)家，但是沒(méi)有對(duì)抗震方面開(kāi)展深入的研究，還沒(méi)有落實(shí)相應(yīng)的抗震標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)建立的地鐵結(jié)構(gòu)抗震的計(jì)算形式還再使用靜力理論。所以無(wú)法符合當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)的要求，促使開(kāi)展地鐵結(jié)構(gòu)抗震工作變得尤為重要。對(duì)此，本文從以下幾方面進(jìn)行分析，提出合理化建議，供以借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵抗震結(jié)構(gòu)；分析；建議

因?yàn)槲覈?guó)土地資源有限，并且已經(jīng)逐漸朝著開(kāi)發(fā)地下空間的方向發(fā)展，而地鐵作為結(jié)構(gòu)的一種，是處理交通堵塞的重要舉措，在20世紀(jì)的時(shí)候就已經(jīng)有諸多地鐵在運(yùn)行。我國(guó)也有許多的城市在大力的擴(kuò)建地鐵。但是我國(guó)所處的地理位置特殊，使得我國(guó)頻繁出現(xiàn)地震，因此建立抗震結(jié)構(gòu)的地地鐵變得尤為重要。對(duì)此，本文主要從地下結(jié)構(gòu)抗震研究的必要性和意義、地下結(jié)構(gòu)在地震作用下變形破壞的特點(diǎn)、地下結(jié)構(gòu)抗震理論發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出合理化建議，提供給相關(guān)人士，供以借鑒。

1 地下結(jié)構(gòu)抗震研究的必要性和意義

由于地面結(jié)構(gòu)所得出的抗震計(jì)算方法已經(jīng)在大于一百年的時(shí)間下逐漸的演變，但是相關(guān)部門(mén)沒(méi)有對(duì)地下結(jié)構(gòu)所存在的危險(xiǎn)性引起必要的重視，這是由于大多數(shù)人們認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)地震的時(shí)候不敏感。但是在一些國(guó)家中的地震資料看出，當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)震的時(shí)候震區(qū)下面所具有的地下結(jié)構(gòu)會(huì)形成不同的損害，特別是對(duì)于一些國(guó)家在最近幾年里發(fā)生的地震，對(duì)地下結(jié)構(gòu)造成了非常大的損害，不管是地下鐵路還是地下隧道等地方都存在大面積的損害，尤其是地鐵車(chē)站損害的情況最為嚴(yán)重，其中大量的柱子都已經(jīng)折斷，混凝土出現(xiàn)脫落的情況，鋼筋發(fā)生暴露的現(xiàn)象，致使地鐵的周?chē)l(fā)生大面積的坍塌，有的深度已經(jīng)達(dá)到了2米多，從而使該地區(qū)的交通出現(xiàn)嚴(yán)重的癱瘓狀態(tài)。

我國(guó)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震要求已經(jīng)具有很長(zhǎng)的一段時(shí)間，然而還以往的靜力理論，該理論不能較好的呈現(xiàn)出地下結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)，更無(wú)法符合對(duì)相關(guān)工程的需要。因此，科學(xué)的研究地下結(jié)構(gòu)抗震已經(jīng)成為研究的主要課題。

2 地下結(jié)構(gòu)在地震作用下變形破壞的特點(diǎn)

第一，地下結(jié)構(gòu)是完全埋在地下的，所形成的應(yīng)力的因素不是因?yàn)閼T性，而是隨著地基的改變而發(fā)生變化；第二，地下結(jié)構(gòu)和四周存在的介質(zhì)有著不相同的剛度，因此將地震波場(chǎng)進(jìn)行了改變，致使相關(guān)人員在對(duì)地下結(jié)構(gòu)四周波場(chǎng)進(jìn)行確定的時(shí)候存在一定的難度；第三，就地面建筑而言，通常尺度和地震所形成的波長(zhǎng)要較小些，因此可以理解為是基礎(chǔ)上面有著相同的運(yùn)動(dòng)形式。對(duì)于長(zhǎng)型建筑來(lái)說(shuō)，其基礎(chǔ)各點(diǎn)不能同時(shí)運(yùn)動(dòng)，雖然在一定情況下可以出現(xiàn)相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，除了地下結(jié)構(gòu)的抗震以外還會(huì)受到其他因素所帶來(lái)的影響，例如埋深、地基所具有的含水量等。

3 地下結(jié)構(gòu)抗震理論發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 波動(dòng)學(xué)方法

第一個(gè)方向是應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)的方法研究結(jié)構(gòu)及周?chē)橘|(zhì)的地震力狀態(tài)，地基被看作是連續(xù)的彈性及粘彈性介質(zhì)，隧道可以看成是具有支護(hù)的或者是無(wú)支護(hù)的空腔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的計(jì)算歸結(jié)為解彈性或者粘彈性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，地震荷載可以由波動(dòng)力學(xué)散射課題的解確定。一些人解決了在縱波及橫波作用下線彈性介質(zhì)中孔口的動(dòng)應(yīng)力集中問(wèn)題及對(duì)于襯砌的作用問(wèn)題；還有一些研究人員解決了自由面對(duì)于地下結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力集中的影響及多連通區(qū)域?qū)τ趶椥圆ǖ纳⑸浼把苌鋯?wèn)題。地下結(jié)構(gòu)對(duì)于非平穩(wěn)作用的反應(yīng)對(duì)于實(shí)際工程來(lái)講是非常具有意義的。但是總的來(lái)講地下結(jié)構(gòu)對(duì)于非平穩(wěn)的波的反射問(wèn)題的解析解到目前為止研究的還很不夠，因此各種實(shí)驗(yàn)方法得到了發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)方法中，線彈性動(dòng)力光彈法占了較大的比重，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的困難，在大多數(shù)情況下不能對(duì)于地下結(jié)構(gòu)抗震來(lái)講最感興趣的長(zhǎng)波反射課題進(jìn)行詳細(xì)的研究。對(duì)于一般空間課題的解來(lái)講困難非常大，目前在這一領(lǐng)域研究的還非常不夠，因?yàn)橐话阒v地震波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于地下結(jié)構(gòu)橫向尺寸，所以可把地震波與結(jié)構(gòu)的橫向相互作用動(dòng)力課題化為靜力課題。

3.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力抗震法

另一個(gè)方向?yàn)閺?fù)雜地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力抗震理論。這一理論主要研究長(zhǎng)型的具有分支的地下隧道及管道，這時(shí)地下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)被看成是由彈性桿及大剛度節(jié)點(diǎn)單元組成的系統(tǒng)，地基被模擬成具有一定流變性質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，課題的任務(wù)是研究桿系結(jié)構(gòu)及周?chē)橘|(zhì)的共同振動(dòng)。一些研究人員通過(guò)對(duì)于具體的地鐵支護(hù)形式的研究，得到了一系列關(guān)于結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)與地基連接方式對(duì)于地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響的結(jié)論。他們研究了地鐵結(jié)構(gòu)的縱向及橫向振動(dòng)，繪制出了用于實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算的表格；他們的研究結(jié)果還表明在地下結(jié)構(gòu)中可能存在兩種波：亞音速及超音速波；在剛性支護(hù)及柔性地基的情況下，地基的剛度及地震脈沖的持續(xù)時(shí)間對(duì)于結(jié)構(gòu)的最大位移及應(yīng)力影響很大；地震縫剛度的增加導(dǎo)致臨近段位移的減少，位移幅值依賴于地震縫的剛度及各段之間連接的剛度等.并首次在建設(shè)塔什干地鐵中安置測(cè)量網(wǎng)用于實(shí)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)對(duì)于地震的反應(yīng)。在我國(guó)淺埋地下結(jié)構(gòu)與應(yīng)力波的相互作用研究是20世紀(jì)60年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的。我國(guó)的其他學(xué)者也對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的抗震進(jìn)行了卓有成效的工作人員將某一地區(qū)的地鐵大開(kāi)車(chē)站為研究對(duì)象，從自由場(chǎng)的地基土變形、地震荷載的輸入峰值、地震波的選擇、埋深和豎向地震荷載對(duì)破壞的影響等幾個(gè)方面著手，運(yùn)用動(dòng)力有限元法、振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)和理論分析方法對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律和可能會(huì)發(fā)生的破壞進(jìn)行了研究，得到了初步的成果?；趶椥缘鼗豪碚摻⒌叵陆Y(jié)構(gòu)縱向振動(dòng)頻響應(yīng)方程，把地震看作隨機(jī)過(guò)程，考慮其空間變化，研究了結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)與非平穩(wěn)振動(dòng)。

總而言之，地鐵結(jié)構(gòu)所具有的抗震效果在相關(guān)領(lǐng)域獲得了很大的成績(jī)，然而站在波動(dòng)理論的立場(chǎng)出發(fā)，相關(guān)人員還需要對(duì)介質(zhì)以及相應(yīng)的非線性特點(diǎn)、地面的影響等還需要進(jìn)一步的探索，復(fù)雜結(jié)構(gòu)理論方面會(huì)對(duì)軸向載及其相應(yīng)的剪切載相互作用的情況下產(chǎn)生破壞模式問(wèn)題等方面還需要加以澄清。而地下結(jié)構(gòu)抗震的有關(guān)要求還需要進(jìn)一步落實(shí)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上論述，可以得到以下結(jié)論：（1）相關(guān)人員采取靜力法沒(méi)有對(duì)波動(dòng)的情況引起重視，這樣會(huì)致使在一定程度上出現(xiàn)較大的差距，而且在對(duì)大截面大長(zhǎng)度進(jìn)行處理的過(guò)程中，就緊鄰接地的結(jié)構(gòu)及其距離地面較近的結(jié)構(gòu)而言，一定要將波動(dòng)效應(yīng)充分的考慮其中進(jìn)去。已有的波動(dòng)力學(xué)手段大部分都是提取相應(yīng)的模型，但是當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)震的時(shí)候，地基及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)都會(huì)呈現(xiàn)出非線性的情況，所以需要對(duì)波動(dòng)力學(xué)進(jìn)行大量的研究。（2）當(dāng)?shù)卣鸩樦鄳?yīng)軸線進(jìn)行傳播的過(guò)程中，亦或是遇到橫截面發(fā)生較大改變等現(xiàn)象，相關(guān)人員采取波動(dòng)力學(xué)的方式對(duì)相應(yīng)的地震應(yīng)力加以確定還沒(méi)有取得顯著的效果，希望在未來(lái)的發(fā)展中會(huì)對(duì)該方面做好大量的研究。

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