地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響分析

張彥嶺

摘要：在地鐵車站建設(shè)中，車站結(jié)構(gòu)能否有效的對抗地震導(dǎo)致的車站力學(xué)結(jié)構(gòu)變化是車站建筑質(zhì)量的重要影響因素之一。因此，需要針對地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響進行全面的研究和分析。在本文中，使用模型計算方法針對某地鐵車站工程的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進行了全面測算，并在這一基礎(chǔ)上探究了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對地鐵車站產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng);地鐵車站;模型計算

一、前言

在各種自然災(zāi)害中，地震是一種預(yù)測難度最大，且危害比較嚴重的自然災(zāi)害。由于地鐵的主體結(jié)構(gòu)位于地下，因而地震會對地鐵的主體結(jié)構(gòu)造成嚴重的破壞。在我國擁有地鐵的城市中雖然并未發(fā)生過嚴重地震，但日本等國家發(fā)生的地震造成的地鐵系統(tǒng)癱瘓以及人員傷亡為我國地鐵的建設(shè)工作提供了值得借鑒的經(jīng)驗和教訓(xùn)[1]。基于這一背景，有必要針對地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進行深入研究。

二、計算模型的建立

在本研究中，將采用模型計算法針對地鐵車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進行研究，為保障研究的科學(xué)性，將針對計算模型的建立和計算過程進行詳細的分析與解讀。

（一）模型設(shè)計

本文以我國S市的某地鐵車站建設(shè)工程作為研究對象，并在這一基礎(chǔ)上建立地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計算模型，測算該工程項目在地震爆發(fā)時可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。該地鐵車站的施工場地存在厚度不同的軟涂層場地，因而研究其地震反應(yīng)規(guī)律，對于施工企業(yè)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和質(zhì)量優(yōu)化工作具有至關(guān)重要的意義[2]。同時，建立計算模型研究某地鐵車站工程的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，也能夠為軟土層下地下建筑施工中的抗震設(shè)計提供一些參考依據(jù)。

（二）土體與混凝土的非線性動力模型

本文針對土體與混凝土的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)建立了軟土記憶型非線性動力模型。該模型主要針對軟土在地震發(fā)生時的變形特點，采用等向硬化與隨機硬化結(jié)合的理論建立模型。在混凝土非線性動力計算模型方面，采用的是混凝土粘塑性動力損傷模型。該模型的最主要計算指標就是混凝土在不同級別地震中產(chǎn)生的斷裂能。詳細模型見圖1與圖2。

（三）計算模型的建立機制

在本為中，作為研究對象的地鐵車站設(shè)計寬度為22.7 m，高度為12.3 m。車站結(jié)構(gòu)底板厚度0.9 m，頂板厚度0.8 m，底層側(cè)墻與頂層側(cè)墻的厚度分別與底板、頂板厚度相同。在設(shè)計計算模型之前，首先需要深入研究上述數(shù)據(jù)，并在這一基礎(chǔ)上設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計算模型。

（四）數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

在建立計算模型之后，導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算。

1.在導(dǎo)入數(shù)據(jù)之前，需要對數(shù)據(jù)的準確性進行再次檢查，確保導(dǎo)入的數(shù)據(jù)為準確數(shù)據(jù)。

2.在進行數(shù)據(jù)導(dǎo)入的過程中，需要收集和整理國內(nèi)外地震中地鐵車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)數(shù)據(jù)并進行研究，在這一基礎(chǔ)上將不同震級下地鐵車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中作為計算參數(shù)。

3.在導(dǎo)入數(shù)據(jù)之后，使用計算模型對本項目的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)數(shù)據(jù)進行計算[3]。

三、計算結(jié)果分析

（一）車站結(jié)構(gòu)變形反應(yīng)分析

通過計算發(fā)現(xiàn)，在場地條件不同的前提下，車站結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中頂?shù)组g最大水平位移反應(yīng)值也會出現(xiàn)較大幅度的變化。具體來說，在地震動峰值加速度不斷增加的前提下，同一場地類型的地鐵車站結(jié)構(gòu)頂?shù)组g最大水平位移反應(yīng)值也會相應(yīng)增長。詳細變化見圖3。同時，在場地條件相對較好的前提下，頂?shù)组g最大水平位移反應(yīng)值的增速相對緩慢。而在場地條件相對較差的情況下，頂?shù)组g最大水平位移反應(yīng)值的增速也會進一步增加[4]。從這一規(guī)律中可以發(fā)現(xiàn)，頂?shù)组g最大水平位移反應(yīng)值的變化，與場地條件及地震動峰值加速度息息相關(guān)。在地震波對車站結(jié)構(gòu)擺動幅度的影響方面，一般情況下，地震中地鐵車站結(jié)構(gòu)的左擺幅相對較小，而右擺幅相對較大。在這一問題的影響下，在進行地鐵車站設(shè)計和施工的過程中，就需要對車站結(jié)構(gòu)中容易產(chǎn)生較大擺動幅度的部位進行重點加固，從而避免地震對車站結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞[5]。同時，在地震時，與從車站上層建筑相比，下層建筑結(jié)構(gòu)會受到更大程度的破壞。因此，需要對地鐵車站的下層結(jié)構(gòu)進行重點的防震設(shè)計與加固。

（二）車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力反應(yīng)

通過對車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力反應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在場地土層硬度相對較高的前提下，地震發(fā)生時車站結(jié)構(gòu)變形的幅度相對較小。在這樣的情況下，震級與破壞力相對較小的地震就不會對車站的主體結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞[5]。相比之下，土層硬度較小的場地，在地震來臨時車站結(jié)構(gòu)的變形幅度較大，同樣等級的地震會對車站主體結(jié)構(gòu)造成更大的破壞。因此，在進行地鐵車站建設(shè)的過程中，需要在規(guī)劃時盡量避開土層硬度比較小的施工區(qū)域規(guī)劃和設(shè)計車站。同時，在對車站主體結(jié)構(gòu)進行施工的過程中，需要根據(jù)施工現(xiàn)場的土層硬度對建筑的主體結(jié)構(gòu)進行加固，從而保障地震來臨時車站主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[6]。

四、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的規(guī)律

在發(fā)生地震之后，地鐵車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過對這一規(guī)律進行研究，能夠為制定科學(xué)的車站結(jié)構(gòu)加固方案打下堅實的基礎(chǔ)。具體來說，地震發(fā)生時車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律主要包括加速度反應(yīng)規(guī)律、側(cè)向位移反應(yīng)規(guī)律以及應(yīng)力反應(yīng)規(guī)律三個方面。

（一）加速度反應(yīng)規(guī)律

在本研究中，首先針對搭地鐵車站結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)規(guī)律進行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層硬度的降低，地鐵車站結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

1.在土層硬度較高的前提下，車站整體結(jié)構(gòu)的峰值加速度就會明顯增加。其中，底層結(jié)構(gòu)的峰值加速度增長幅度最大。

2.在場地土層硬度減小的前提下，建筑結(jié)構(gòu)整體的峰值加速度會出現(xiàn)降低趨勢，但底板處的峰值加速度會進一步增大[7]。之所以出現(xiàn)這一情況，主要的原因是軟土層能夠?qū)Φ卣鸩ㄆ鸬揭欢ǖ乃p作用。同時，中板處的峰值加速度變化幅度則相對較小。

3.在土層硬度進一步降低的基礎(chǔ)上，軟土層對地震波的衰減作用也就無法充分發(fā)揮。因此，如果土層硬度進一步減小，則車站結(jié)構(gòu)中底板、中板、頂板的加速度都會出現(xiàn)進一步降低的趨勢。同時，隨著土層硬度的進一步減小，這一趨勢會變得愈發(fā)明顯。根據(jù)這一規(guī)律，需要在車站結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工過程中根據(jù)土層硬度采取不同的加固措施對車站結(jié)構(gòu)進行進一步加固，從而保障車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加強其抗震能力[8]。

（二）側(cè)向位移反應(yīng)規(guī)律

在地震強度較大的情況下，軟土層就會產(chǎn)生比較大的變形，進而導(dǎo)致地鐵車站的側(cè)墻發(fā)生位移或變形。而在不同的土層條件下，地鐵車站的結(jié)構(gòu)側(cè)位移反應(yīng)也會呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。具體來說，包括以下幾個方面：

1.在軟土層位于地鐵車站側(cè)向地基或附近的前提下地鐵車站整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移幅度會增大。同時，位移增加的幅度會隨著軟土層的增厚而進一步增加。因此，在進行地鐵車站設(shè)計和規(guī)劃的過程中，需要盡量避免車站側(cè)墻及周邊存在軟土層。如果確實無法避免，就需要對車站側(cè)墻進行重點加固[9]。

2.當軟土層位于車站結(jié)構(gòu)底部時，由于軟土層會對地震波產(chǎn)生一定的專兼作用，因而車站整體結(jié)構(gòu)在地震中的擺動幅度會隨著土層厚度的增加而逐漸減小。需要注意的是，如果土層硬度過低，則軟土層對地震波的衰減作用也會減弱。因此，在進行地鐵車站施工的過程中，可以在底部鋪設(shè)硬度和厚度適中的軟涂層，從而降低地震波對車站結(jié)構(gòu)的破壞作用[10]?？傊?，只有合理規(guī)劃了軟土層的位置和厚度，才能更加有效的發(fā)揮其對地震波的衰減作用，保護地鐵車站的整體結(jié)構(gòu)不被嚴重破壞。

（三）應(yīng)力反應(yīng)規(guī)律

通過對地鐵車站結(jié)構(gòu)動應(yīng)力反應(yīng)過程進行計算和動畫演示可以發(fā)現(xiàn)，在地震發(fā)生時，地鐵車站結(jié)構(gòu)動應(yīng)力反應(yīng)過程主要表現(xiàn)出以下規(guī)律：

1.在其他條件大致相當?shù)那疤嵯?，車站結(jié)構(gòu)中側(cè)墻部位、上側(cè)墻頂部、下側(cè)墻頂部的應(yīng)力反應(yīng)明顯大于其他部位產(chǎn)生的應(yīng)力反應(yīng)。其中，下側(cè)墻底部的應(yīng)力反應(yīng)大于其他部位的應(yīng)力反應(yīng)[11]。由此可見，當側(cè)墻中部和底部存在軟土層時，車站結(jié)構(gòu)對地震產(chǎn)生的應(yīng)力反應(yīng)更加強烈。因此，在規(guī)劃和設(shè)計地鐵車站時，需要盡量避免這一問題的產(chǎn)生。只有如此，地鐵車站在地震中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性才能得到有效的保護。

2.在軟土層位于車站側(cè)墻中部時，地震時上層中柱產(chǎn)生的應(yīng)力反應(yīng)最大。在軟土層位于車站側(cè)墻下部時，地震過程中下層中柱的應(yīng)力反應(yīng)最大。因此，如果在車站設(shè)計和施工過程中無法全面消除側(cè)墻附近的軟土層，就需要根據(jù)軟土層位置的不同對相應(yīng)位置的側(cè)墻和中柱結(jié)構(gòu)進行更加系統(tǒng)的加固和強化[12]。只有做到這一點，才能在地震爆發(fā)時盡量避免車站結(jié)構(gòu)變化造成的損失。

3.當軟土層位于車站結(jié)構(gòu)底部時，雖然會對地震波產(chǎn)生一定程度的衰減作用，但同時也會導(dǎo)致水平樓板的應(yīng)力反應(yīng)加大。因此，在非必要的情況下，盡量不要在軟土層附近規(guī)劃和修建地鐵車站。

五、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)產(chǎn)生的影響

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，在地震發(fā)生時，地鐵車站等地下建筑會產(chǎn)生不同程度的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。具體來說，就是地下建筑的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致地下建筑的損壞或坍塌。這種情況不僅會造成不同程度的經(jīng)濟損失，而且有很大可能導(dǎo)致人民群眾出現(xiàn)重大傷亡。因此，需要對地震反應(yīng)產(chǎn)生的影響進行全面分析，并采取科學(xué)的措施盡量削減地鐵車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。只有如此，才能有效的保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全，保障城市交通的順利運行。

（一）對車站整體結(jié)構(gòu)的影響

在地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對車站整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響主要包括以下幾個方面：

1.地震會導(dǎo)致車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移，對車站的整體結(jié)構(gòu)造成不同程度的破壞。在這一前提下，車站發(fā)生坍塌的幾率就會大幅度增加，從而增加了地鐵車輛與司乘人員的安全風險。

2. 在地震時，結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致部分地面或墻體出現(xiàn)塌陷、損壞等問題，影響到地鐵車站的正常使用，同時威脅地鐵車站中人員的生命安全[13]。

3. 在車站結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的前提下，車站中的各種精密設(shè)施也就無法正常使用，導(dǎo)致地鐵運行完全或部分癱瘓。這種情況不僅影響到城市交通的通暢程度，而且會對城市的重建和經(jīng)濟發(fā)展造成不利影響。

（二）對混凝土結(jié)構(gòu)強度的影響

地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響還體現(xiàn)在對混凝土結(jié)構(gòu)強度的影響方面。具體來說：

1.在發(fā)生地震之后，地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向位移并不平均。一般來說，周圍存在軟土層的車站側(cè)墻發(fā)生位移的幅度較大。相比之下，側(cè)墻周圍土層硬度較高的部位側(cè)向位移的幅度較小。在這樣的情況下，車站的整體混凝土結(jié)構(gòu)就會遭到不同程度的破壞，進一步降低建筑使用的安全性。

2.在地震波的刺激下，混凝土構(gòu)件內(nèi)部會出現(xiàn)不同程度的損傷。在地震強度不高的情況下，這種損傷一般無法通過肉眼直接發(fā)現(xiàn)。如果繼續(xù)使用該地鐵車站，就會形成不同程度的安全隱患。

3.在混凝土構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的強度受到損傷之后，部分混凝土構(gòu)件會出現(xiàn)開裂、損壞等問題。在這些問題的影響下，地鐵車站也就無法正常投入使用，導(dǎo)致地鐵交通部分或完全癱瘓[14]。

（三）對交通網(wǎng)絡(luò)的影響

地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對交通網(wǎng)絡(luò)的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1.在發(fā)生地震之后，地鐵車站的整體結(jié)構(gòu)會遭到不同程度的破壞，導(dǎo)致車站的作用無法正常發(fā)揮。在這樣的情況下，地鐵交通線路勢必會出現(xiàn)部分乃至全部停運的問題。

2.在進行地鐵車站規(guī)劃和設(shè)計的過程中，車站的位置往往被規(guī)劃在城市主要交通線的地下。在發(fā)生地震之后，如果地震強度過高或地鐵車站的結(jié)構(gòu)強度不足，就會出現(xiàn)地鐵車站塌陷問題。在這一問題的影響下，地上交通線路也會出現(xiàn)部分或全部癱瘓的問題。因此，可以說，對地鐵車站的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和加固，能夠在地震發(fā)生時為城市交通安全與通暢提供一定程度的保障[15]。

六、結(jié)語

綜上所述，作為城市交通的重要樞紐，地鐵車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定在地震發(fā)生時會對城市交通的通暢程度以及災(zāi)后重建工作產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此，需要針對地鐵車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及其影響進行深入研究。通過本研究，針對地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)總結(jié)了以下規(guī)律：

（一）在車站側(cè)墻附近存在軟土層的情況下，車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)強度會比較激烈，進而導(dǎo)致車站整體結(jié)構(gòu)受到更大程度的損壞。

（二）車站底層結(jié)構(gòu)存在一定厚度的軟土層有利于削弱車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，但過厚的軟土層會導(dǎo)致其對地震波產(chǎn)生的衰減作用減弱或消失，進而破壞車站的整體結(jié)構(gòu)。

（三）在其他條件大致相當?shù)那闆r下，軟土層越厚，車站的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)越激烈，車站結(jié)構(gòu)在地震中的損壞程度也就越高。因此，在進行地鐵車站規(guī)劃和設(shè)計時，應(yīng)該盡量規(guī)避和繞開軟土層。如果必須在軟土層附近規(guī)劃和建設(shè)地鐵車站，則需要對軟土層的位置和厚度進行合理的規(guī)劃與改造。同時，還需要根據(jù)軟土層分布的特點，針對地鐵車站的結(jié)構(gòu)進行科學(xué)的設(shè)計和加固，從而保障地震時地鐵車站的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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