淺談地鐵結(jié)構(gòu)抗震研究中的若干問(wèn)題

郭建飛

中交（西安）鐵道設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西西安 710065

大家普遍都認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)是具有較為良好的抗震性能的，但是從實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的抗震減震理論的研究還是比較少的，因此相關(guān)的施工還存在著這方面的風(fēng)險(xiǎn)，為了進(jìn)一步的保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們出行的安全，必須要對(duì)地鐵工程的抗震減震進(jìn)行重視[1]。

1 進(jìn)行地鐵結(jié)構(gòu)抗震研究的必要性

隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)行的不斷加快，我國(guó)可以利用的土地資源變得非常有限，大規(guī)模的對(duì)地下空間進(jìn)行開(kāi)發(fā)是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。城市化的發(fā)展會(huì)帶來(lái)大量的人流，尤其對(duì)于大城市來(lái)說(shuō)，地下結(jié)構(gòu)的工程建設(shè)是非常必要的內(nèi)容，但是我國(guó)又是多震國(guó)家，這會(huì)對(duì)我國(guó)地下工程的建設(shè)造成比較大安全威脅。從現(xiàn)階段的抗震成果來(lái)看，整個(gè)世界對(duì)于地面結(jié)構(gòu)的抗震研究已經(jīng)有了不錯(cuò)的成果，但是與此相比的地下結(jié)構(gòu)卻還在起步的階段，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究在世界范圍內(nèi)都沒(méi)有得到足夠的重視，因此一旦出現(xiàn)地震，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的危害就是非常大的。我國(guó)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震研究主要還停留在傳統(tǒng)的靜力理論當(dāng)中，但是對(duì)于地下結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種理論是無(wú)法有效的對(duì)其中的應(yīng)力反應(yīng)做出準(zhǔn)確反映的，因此要對(duì)加強(qiáng)研究。

2 地鐵結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)

地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和地面結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是存在著比較大的差距的，對(duì)于地面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它可以對(duì)地震波進(jìn)行一定程度的過(guò)濾和緩沖，但是地下結(jié)構(gòu)卻不是如此，它主要是受到周?chē)鷰r土介質(zhì)的振動(dòng)而出現(xiàn)擠壓和變形。一般來(lái)說(shuō)，地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力不是因?yàn)閼T性的作用，主要是因?yàn)榈鼗鶓?yīng)力出現(xiàn)應(yīng)變狀態(tài)的改變，然后再加上地下結(jié)構(gòu)本身獨(dú)有的剛度，就會(huì)對(duì)地震波場(chǎng)造成一定的改變，這樣就會(huì)難以對(duì)地下結(jié)構(gòu)周?chē)牟▓?chǎng)進(jìn)行確定。此外，對(duì)于地面建筑來(lái)說(shuō)，它的尺寸一般都是比地震波場(chǎng)小的，因此可以將其基礎(chǔ)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)視為相同，但是對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的尺寸是比較長(zhǎng)的，其基礎(chǔ)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一定的不同。除此之外，還與地貌、埋深和等有一定的聯(lián)系?？傊绊懙罔F結(jié)構(gòu)抗震安全性的主要因素就是結(jié)構(gòu)形式、尺寸、埋深以及結(jié)構(gòu)材料的特性和地震動(dòng)強(qiáng)度等等。由地震可能導(dǎo)致的地下結(jié)構(gòu)破壞主要有土體的液化、斷層位移、邊坡失穩(wěn)等等。

3 地鐵結(jié)構(gòu)抗震研究中的主要問(wèn)題

對(duì)于地鐵這樣的地下結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，與此相關(guān)的理論分析和方法的提出都與人們對(duì)地震的具體認(rèn)識(shí)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步性有著非常密切的關(guān)系。隨著世界地震觀測(cè)的不斷完善，適用于地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的地下結(jié)構(gòu)分析理論和方法也漸漸被提了出來(lái)。

3.1 抗震分析的實(shí)用方法

（1）地震系數(shù)法。這種方法主要是在大森房吉靜力理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展而來(lái)的，與地面建筑的抗震分析差不多，把地震動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性和結(jié)構(gòu)一側(cè)的主動(dòng)側(cè)壓力對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行施壓，然后利用靜力理論對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行一定程度的分析。

（2）自由場(chǎng)變形法。自由場(chǎng)變形的抗震分析方法是比較簡(jiǎn)單且有效的，這種方法是在20世紀(jì)60年代提出的。

（3）土-結(jié)構(gòu)擬靜力相互作用法。這種方法的主要思想就是講地震波動(dòng)場(chǎng)分析作為基礎(chǔ)的，在自由場(chǎng)變形的機(jī)場(chǎng)上在乘上一個(gè)結(jié)構(gòu)相互作用的系數(shù)，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)的變形，再將變形進(jìn)行施加，從而根據(jù)靜力理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)的計(jì)算。

（4）地下結(jié)構(gòu)Pushover分析法。該方法的基礎(chǔ)是地面結(jié)構(gòu)的分析方法，是一種彈塑性分析方法，比較適用于地鐵結(jié)構(gòu)的抗震分析。具體來(lái)說(shuō)主要是在給出水平荷載分布形成和目標(biāo)的位移之后，再對(duì)結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的影響做出一定的分析，較高的可靠性和精度是其主要的優(yōu)點(diǎn)。另外，這種方法的參數(shù)確定是比較單一的，荷載的施加也比較方便，是對(duì)地鐵進(jìn)行抗震分析的有效方法。

（5）動(dòng)力時(shí)程分析法。動(dòng)力時(shí)程分析法可以分成幾種不同的方法，有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法、雜交法、非連續(xù)變形分析法等都是其中重要的方式，這些方法都是解決地震作用結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)中的有效方法。

3.2 抗震研究的主要模型技術(shù)

（1）地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型試驗(yàn)研究技術(shù)。該模型試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Φ叵陆Y(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和抗震性能進(jìn)行一定的分析和研究，振動(dòng)模型試驗(yàn)研究主要有普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。對(duì)目前的階段來(lái)看，普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是比較廣泛的抗震試驗(yàn)方法。雖然在試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)與實(shí)際的原型有一定的差距，但是對(duì)于國(guó)內(nèi)的抗震研究來(lái)說(shuō)，還是具有比較重要的意義的。因?yàn)閲?guó)內(nèi)振動(dòng)臺(tái)的數(shù)量較多，能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究打下一定的基礎(chǔ)，使得國(guó)內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)抗震研究變得更加深入。在今后的研究過(guò)程中，要進(jìn)一步的對(duì)其試驗(yàn)設(shè)計(jì)和材料選取以及配重施加等方面進(jìn)行重視，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行更好的優(yōu)化和解決。

（2）土體非線(xiàn)性動(dòng)力本構(gòu)模型。土體非線(xiàn)性動(dòng)力本構(gòu)模型是研究土動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)容，能夠?qū)ν羷?dòng)力失穩(wěn)變形等問(wèn)題進(jìn)行分析。就目前的研究來(lái)說(shuō)，主要可以分為粘彈性模型和彈塑性模型，在對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震研究中有一定的作用但是也存在著一定的不足和缺陷，需要進(jìn)一步的進(jìn)行優(yōu)化[2]。

（3）大型三維非線(xiàn)性土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析模型。地鐵結(jié)構(gòu)等地下結(jié)構(gòu)的構(gòu)造是比較復(fù)雜的，因此在對(duì)其進(jìn)行研究的時(shí)候，要將其置于一個(gè)比較復(fù)雜的地震動(dòng)場(chǎng)當(dāng)中，因此需要一個(gè)合適的人工邊界來(lái)對(duì)其中的應(yīng)力進(jìn)行分析。將大型地下結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w動(dòng)力相互作用的三維非線(xiàn)性動(dòng)力災(zāi)變分析作為核心，然后與高效的算法進(jìn)行結(jié)合，對(duì)相關(guān)的分析模型進(jìn)行建立，進(jìn)一步的推動(dòng)地下結(jié)構(gòu)的抗震分析研究。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地下機(jī)構(gòu)工程的安全性是比較重要的內(nèi)容，對(duì)整個(gè)城市的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的提升具有重要意義，因?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)具有比較的復(fù)雜性和特殊性，現(xiàn)階段還沒(méi)有相關(guān)的抗震理論和模型方法能夠計(jì)算復(fù)雜場(chǎng)地條件下的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)，因此必須要加強(qiáng)對(duì)這方面的研究和分析。