地震耦合作用下地下車站結(jié)構(gòu)的抗剪性能研究綜述

王 嗩

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學院 鐵道工程系， 四川 成都 610399）

0 引言

我國所處的地殼板塊位于環(huán)太平洋地震帶，這條板塊是最大的大陸淺源強震活動區(qū)當中的其中一個，整個區(qū)域內(nèi)的地震活動比較頻繁。從全國范圍來看，在300多個城市中，有一半以上的地塊位于地震基本烈度7度或7度以上的區(qū)域，更有一些大城市是處在8度的高烈度地震區(qū)，例如北京、天津[1]。鑒于以上特殊地理條件，我國地下車站在設計初期首要面對的是問題就是抗震設計和抗震安全性能評估。

由于研究者們各自側(cè)重的角度不同，分析模型與方法上的差異，以及對震害機理和破壞模式的解析的側(cè)重點不一致，對地下結(jié)構(gòu)抗震性能的理解不同，導致在這方面的研究仍存在一些認識上的歧義，至今未達成共識。

1 地震作用研究

對于地下車站結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究工作，在國內(nèi)外已經(jīng)累積了大量的理論、數(shù)值和試驗數(shù)據(jù)。對于地震作用的外在因素影響，各方的認識并不完全相同，多數(shù)解釋是認為地震產(chǎn)生的土層水平變形施加到地下結(jié)構(gòu)上的剪切作用是主因[1]，部分研究者認為豎向地震作用是主因[2-4]，也有專家[5，6]認為應耦合考慮地震的水平與豎向作用。

從傳統(tǒng)的觀點上講，水平地震力是引起地下車站結(jié)構(gòu)破壞的決定性因素，而豎向地震力上所產(chǎn)生的影響并不明顯。周少斌[1]以日本大阪地鐵車站震害實例為模型進行破壞機理，表明水平方向的地震波才是導致地鐵車站結(jié)構(gòu)震害主要原因。

近年來，研究者們在全球范圍內(nèi)所發(fā)生的強烈地震進行了詳細調(diào)查，這些震害調(diào)查數(shù)據(jù)顯示出，許多土木結(jié)構(gòu)的破壞是受到了豎向地震力作用的影響，甚至有時會成為導致該結(jié)構(gòu)破壞的直接原因。在高烈度區(qū)，特別是震中區(qū)，豎向地震力對土木結(jié)構(gòu)的影響是非常明顯的。張延年等[7，8]研究指出，無論是否考慮豎向地震作用，MRD對結(jié)構(gòu)均有良好的控制作用，但是在考慮豎向地震作用存在時，其增量隨豎向地震作用呈遞增變化。因此該學者建議在高烈度地區(qū)的MRD結(jié)構(gòu)應考慮豎向地震作用對結(jié)構(gòu)的影響。尹奮[9]通過OpenSees對一棟3層鋼筋混凝土框架進行增量動力分析，驗證了豎向地震作用的重要性。

黃昱華等[10]通過對比研究單維豎向地震波和耦合激勵作用下結(jié)構(gòu)體系的動力相應模型， 得出在結(jié)構(gòu)抗震設計中宜適當考慮地震的耦合影響。在分析地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能時，應當將豎向地震作用作為重要因素予以考量，應當全面綜合考慮水平與豎向地震耦合作用對地鐵車站結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，以提高地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設計的合理性與安全性。

2 地下車站結(jié)構(gòu)抗剪性能研究

從現(xiàn)研究階段看，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)地震反應規(guī)律的研究已經(jīng)開展了很多年，但由于研究者們研究的側(cè)重面不同，在一些研究方向上仍有空缺。例如，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)地震破壞機理的認識并沒有達成共識，尤其是耦合地震作用形式和結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震能力（強度、變形、荷載轉(zhuǎn)移等能力）的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)性分析構(gòu)件強度、變形能力動態(tài)調(diào)整的成果仍很缺乏[11]。

田雪娟[12]研究中指出中柱成為結(jié)構(gòu)中抗震不利的構(gòu)件的原因：雖然中柱是軸向受力構(gòu)件，但是地震作用下，結(jié)構(gòu)依然有剪切變形，因此柱子兩端相對位移增加導致柱端彎矩有較大的增幅，從而使中柱。李鳳麗[13]分別采用不同地震波，以上海市軌道交通某線地下車站為實例，分析研究了地震影響下地下車站結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪及變形能力。

一些學者通過數(shù)值模擬分析，提出了新的研究計算方法。陳之毅[14]通過模擬分析，提出了整體強制反應位移法，該方法是一種地下結(jié)構(gòu)簡化抗震計算方法。朱俊[15]提出了一個FE-IBE耦合方法進行地下結(jié)構(gòu)非線性地震響應分析。路德春[16]在“中柱變形能力不足導致大開車站的塌毀”這一觀點基礎(chǔ)上，優(yōu)化分析了大開車站中柱的失效模式，從而提出一種新型疊層加芯柱以增加地鐵車站的穩(wěn)定性。

3 我國抗震設計規(guī)范研究

由于我國現(xiàn)行的抗震設計規(guī)范并沒有對于地震作用反應譜的規(guī)定做出詳細的規(guī)定，導致在現(xiàn)行規(guī)范中，缺乏完善的理論和實踐結(jié)果作為依據(jù)，對結(jié)構(gòu)設計在抗剪能力影響因素的調(diào)整系數(shù)上考慮較少。系數(shù)取值沒有針對性而以經(jīng)驗為主，相較于國外規(guī)范而言數(shù)據(jù)值偏小，其有效性也還有待進一步研究[17，18]。

建筑抗震設計規(guī)范 GB50011-2010（2016版）[19]在規(guī)范中沒有直接給出豎向地震作用設計的反應譜，只是在第 5.3.1～5.3.4條中對豎向地震作用的計算方式給予了簡化的規(guī)定。在城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范 GB 50909-2014[20]中，也只是同樣在第5.3.1和5.3.2條只對豎向設計地震動參數(shù)給出了簡要規(guī)定。

侯莉娜[21]針對城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范中地震動參數(shù)以及抗震措施等方面存在的一些值得商榷的問題，給出了相關(guān)建議。這說明，有必要進一步分析合理的地下車站結(jié)構(gòu)破壞機理和失效模式，以及開展與之對應的抗震設計實用分析方法的研究，最終達到既要在安全性上有保證也要能夠合理的節(jié)約投資成本。

周航[18]根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范分別設計了低烈度區(qū)（6 度）和高烈度區(qū)（9 度）剪力墻和框架剪力墻結(jié)構(gòu)算例，考察了現(xiàn)行規(guī)范對剪力墻能力設計措施的有效性；通過算例分析，對比計算了幾種工況下，達到預期破壞模式情況下，結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力需求。鄧宇潔，梁發(fā)云[22]根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范和上海地方抗震設計規(guī)范提供的分析方法，通過分析典型兩層雙柱三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模型對地震反應進行了對比驗算。

許紫剛等[23]針對我國現(xiàn)行《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范》(GB 50909-2014)推薦采用的反應位移法展開了分析，得出該方法存在一定的局限性，對此提出了一種適用于復雜斷面地下結(jié)構(gòu)地震響應分析的廣義反應位移法。

4 結(jié)論

在我國現(xiàn)行的規(guī)范中，對于結(jié)構(gòu)抗剪能力調(diào)整系數(shù)產(chǎn)生影響的因素考慮得還不夠全面，還沒能以足夠充分地實踐數(shù)據(jù)作為依據(jù)來形成完善的理論體系。在應用中因為缺乏針對性地研究，所以多以經(jīng)驗為依據(jù)取值，系數(shù)取值相較于國外的規(guī)范而言也偏小，其有效性也還有待研究。因此，有針對性地、全面綜合地，分析地下車站結(jié)構(gòu)地破壞機理和失效模式對指導地下車站結(jié)構(gòu)的抗剪性能研究至關(guān)重要，尤其是開展與之相適應的抗震設計實用分析方法的研究也是關(guān)鍵中的關(guān)鍵；系統(tǒng)性的研究成果不僅在安全性上有保證，也要能夠合理的節(jié)約投資成本。