坍塌觸地沖擊荷載作用下地鐵車站動力響應(yīng)分析及其安全性評價

王國波　殷耀　謝偉平　季杉　郄嘉琳

摘要： 建筑物拆除時坍塌觸地的沖擊作用必然會對地下結(jié)構(gòu)造成影響。采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探討了坍塌觸地沖擊作用對鄰近地鐵車站的影響?；谀掣呒軜騿慰缱愠咴囼灲Y(jié)果分析橋面整體塌落觸地振動作用下地下管線的動力響應(yīng)，并基于試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式驗證數(shù)值分析方法的合理性;利用驗證后的數(shù)值方法進行關(guān)鍵影響因素的參數(shù)分析，基于計算分析結(jié)果建議了評價指標(biāo)和閾值，考慮塌落物體積、高度、數(shù)量等關(guān)鍵影響因素，對各因素下車站結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)規(guī)律及其安全性進行了評價。研究結(jié)果表明：（1）坍塌觸地引起的振動以豎向振動為主;（2）所采用的數(shù)值分析方法是合理可行的;（3）坍塌觸地引起的振動對鄰近地鐵車站的影響不容忽視，特別是在塌落物質(zhì)量較大或有多個塌落物時，而這些是實際情況中較為常見的。

關(guān)鍵詞： 地鐵車站; 坍塌觸地; 動力響應(yīng); 安全評價

中圖分類號： TU921; TU352.13 ? ?文獻標(biāo)志碼： A ? ?文章編號： 1004-4523（2021）02-0338-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.02.014

引 言

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計中國建筑的平均使用壽命只有30年，這就意味著很多建筑在建成后不久就面臨著拆除。而許多拆除工程集中在鬧市區(qū)，不僅周圍建（構(gòu)）筑物分布密集，而且地下還有許多地鐵隧道、管線。這些建筑物拆除時的塌落觸地必然會對周圍建筑物和地下結(jié)構(gòu)造成很大的影響。

國內(nèi)外許多學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)在地表沖擊荷載下的動力響應(yīng)及其安全性進行了研究，如Fourie研究了地表爆破振動對地下巷道的穩(wěn)定性以及支柱的安全性，結(jié)果表明當(dāng)質(zhì)點振動速度低于10 m/s時，碎石的尺寸會變小，碎石量與地表爆破的能量有關(guān)[1]。Kawahara等研究了沙墊的干密度和厚度對由于落石等引起的沖擊響應(yīng)的影響，研究表明隨著砂墊層厚度的增加，沖擊壓力傳遞率迅速下降[2]。Baziar等進行了地表沖擊荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的振動測試與分析，結(jié)果顯示影響地下結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的主要因素是沖積物傳遞給土層的沖量[3]。Chen等研究了地下圓拱結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的動力響應(yīng)，并對不同土層結(jié)構(gòu)之間的相互作用進行了討論[4]。Jiang等運用LS?DYNA有限元軟件對圍巖爆破振動作用下毗鄰的鐵路隧道結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值計算，最終確定將質(zhì)點振動速度峰值作為鐵路隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的安全判據(jù)[5]。Yang等以實際棚屋隧道結(jié)構(gòu)原型為基礎(chǔ)，研究了落石沖擊作用下棚屋隧道的接觸力、位移、損傷和能量分布，并建議在最小化脫落隧道重量的條件下，增加保護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟度，減少沖擊能量[6]。黃小武等研究了坍塌觸地振動作用下盾構(gòu)隧道管片的振動響應(yīng)，結(jié)果表明管片結(jié)構(gòu)對低頻的觸地振動比較敏感，低頻成分高的觸地振動更容易對其造成破壞[7]。

目前大多數(shù)研究集中在地表和地下爆破荷載的沖擊效應(yīng)以及這些效應(yīng)對地表結(jié)構(gòu)的影響，而對坍塌觸地振動及其對地下結(jié)構(gòu)影響的研究成果較少，特別是評價標(biāo)準(zhǔn)方面?；诖?，本文擬采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對地下結(jié)構(gòu)在坍塌觸地沖擊作用下的動力響應(yīng)進行深入分析。先簡單介紹某高架橋單跨橋體足尺塌落觸地試驗，然后利用對該試驗的數(shù)值擬合分析驗證數(shù)值方法合理性。最后對某實際地鐵車站在坍塌觸地沖擊振動作用下動力響應(yīng)進行計算分析，結(jié)合已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工程實際，評價地鐵車站結(jié)構(gòu)的安全性，并給出相關(guān)建議。

1 試驗研究

1.1 試驗概況

某城市大型高架橋由于不滿足城市出行要求，需進行爆破拆除，并在原址上新建更寬的城市高架橋。為合理確定整個高架橋的爆破方案，擬以一跨橋梁為對象，在附近進行1∶1的足尺現(xiàn)場試驗[8]。橋體分為引道與主橋兩部分，主橋為先簡支后剛構(gòu)的連續(xù)體系，共分為22聯(lián)，聯(lián)長128?144 m，全橋總長3476.50 m。

本次試驗的目的是研究原尺寸的橋面整體塌落觸地振動對周圍環(huán)境的影響。試驗中4根立柱的橫截面尺寸為1 m（長）×0.55 m（寬），高7 m，采用C60混凝土，為模擬原結(jié)構(gòu)的實際重量，在鋼結(jié)構(gòu)橋面施加相應(yīng)的配重（如圖1（a），（c）所示）。1#?4#測點為速度測點，其中速度測點1#測點距離爆區(qū)邊緣75 m處，位于房屋柱子基礎(chǔ)上;2#測點距離爆區(qū)邊緣66 m，位于房屋柱子基礎(chǔ)上;3#測點距離爆區(qū)邊緣45 m，布置在土體中;4#測點距離爆區(qū)邊緣38.2 m，布置在土體中，加速度測點布置在已爆破的1#立柱上。具體測點布置如圖1（b）所示。兩根埋地管如圖1（c）所示，位于立柱中間下方地基中，包括一根鑄鐵管和一根混凝土管，埋深1.5 m，直徑0.6 m。埋地管上每個監(jiān)測點上粘貼了環(huán)向、軸向應(yīng)變片以獲取管道應(yīng)變（如圖1（d），（e）所示）。

1.2 試驗結(jié)果及分析

由于管道埋置于土體之中，本次測試僅監(jiān)測了管道的應(yīng)變。試驗中S3測點損壞，S6測點接觸不良，均未得到有效的試驗數(shù)據(jù)。其他測點應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

試驗中根據(jù)測量得到的最大動應(yīng)變，計算最大動應(yīng)力，動應(yīng)力按下式計算

σ_動=E_動×ε_動 ? （1）

式中 σ_動為計算動應(yīng)力（MPa）;E_動為動彈性模量（MPa）。一般情況下混凝土在動力荷載下其彈性模量相較于靜彈性模量有一定的提高[9]，本文取E動=1.3E靜，ε_動為實測動應(yīng)變（με）。

依據(jù)爆破觸地過程中的實測應(yīng)變值，計算管道上測點的軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力如表1所示。常規(guī)取值可選取C30混凝土靜彈性模量30 GPa，鑄鐵管道靜彈性模量120 GPa，則水泥管壓應(yīng)力最大幅值出現(xiàn)在水泥管S7測點位置上，最大值為3.34 MPa，拉應(yīng)力最大幅值出現(xiàn)在水泥管S9測點位置上，最大值為0.66 MPa。由于C30混凝土最大抗壓強度設(shè)計值為14.3 MPa，最大抗拉強度設(shè)計值1.96 MPa，可見水泥管道是安全的。鑄鐵管拉應(yīng)力最大幅值出現(xiàn)在S5測點位置上，最大值為10.48 MPa，當(dāng)管道直徑在40?2600 mm之間時，抗拉強度設(shè)計值為420 MPa，可見鑄鐵管道也是安全的。

通過分析試驗數(shù)據(jù)可知，單跨橋面整體模型試驗過程中鑄鐵管道和混凝土管道均是安全的。試驗后開挖觀察管道發(fā)現(xiàn)鑄鐵管道和混凝土管道未受到破壞。

2 對試驗的數(shù)值擬合分析

在試驗的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件建立了與實際尺寸相同的橋面及管道模型，對該試驗進行了詳細(xì)數(shù)值模擬分析。

2.1 計算模型

整體模型由橋面、土體以及鑄鐵和水泥管道組成，如圖2所示：圖2（a）為整體模型的俯視圖;圖2（b）為管道模型局部放大圖。其中X方向為土體水平橫向;Y方向為土體水平縱向，垂直圖紙面方向;Z方向為土體豎向。

橋面尺寸為17 m×17 m×1 m，橋面底面距離地表7 m。建立模型時考慮振動波在土體中的傳播，參照抗震分析中的一般取法，將水平向計算范圍取為橋面尺寸的7倍，則水平橫向和縱向均取120 m，而深度方向則依據(jù)土層條件，取38 m。即土體計算范圍為：土體模型尺寸為120 m×120 m×38 m。鑄鐵及水泥管道外徑均為0.6 m，壁厚0.05 m，內(nèi)徑0.5 m。采用摩爾?庫倫彈塑性模型考慮土體，而管道則采用彈性模型。

橋面、土體及管道均采用實體單元，模型整體采用放射性網(wǎng)格，沿X方向：橋面和管道左右各20 m處網(wǎng)格尺寸為1 m，土體兩側(cè)網(wǎng)格尺寸放射至4 m，管道網(wǎng)格尺寸為0.2 m。

模型的主要材料參數(shù)如表2所示，其中管道采用彈性模型，土體采用經(jīng)典的摩爾庫倫模型，土體簡化為水平成層土。

試驗中橋面為鋼結(jié)構(gòu)加配重，鋼結(jié)構(gòu)高度為1 m。橋面上堆積了高度為1 m左右的沙袋配重，數(shù)值模擬中取橋面高度為1 m，為與實際情況初始重力勢能保持一致，密度等效折算后取3000 kg/m3。

橋面板與地面接觸采用“Surface?to?Surface”形式，具體做法是選取土體表面作為主面，橋面地面作為從面進行設(shè)置;同時，鑄鐵和水泥管道與土體間采用“tie”接觸，即節(jié)點對節(jié)點的接觸形式，土體與管道接觸的土體內(nèi)面為主面，管道外壁作為從面進行設(shè)置。

由于只考慮重力荷載，邊界條件為約束4個側(cè)面豎向自由度，模型底面設(shè)為固定邊界。

對土體設(shè)置瑞利阻尼，根據(jù)模態(tài)分析得到1階和2階頻率f1=4.12 Hz，f2=4.13 Hz，取土體阻尼比ξ=0.08，由瑞利阻尼公式得到阻尼系數(shù)：α=0.330，β=0.0194。

α=（4πf_1 f_2 ξ）/（f_1+f_2 ）， β=ξ/（π（f_1+f_2）） （2）

2.2 模擬過程及結(jié)果

有限元計算模型考慮重力荷載的作用，模擬管道考慮開挖后填入，計算共分為三個分析步驟：第一步添加全局重力場并平衡地應(yīng)力，地應(yīng)力平衡前后模型整體的豎向位移如圖3所示，由圖可見地應(yīng)力平衡達到了要求;第二步進行土體開挖，填入管道并設(shè)置管道外表面與土體的“tie”接觸;第三步進行ABAQUS隱式動力分析，考慮橋面整體塌落。

根據(jù)橋面整體塌落試驗過程，橋面塌落觸地過程基本是整面同時塌落觸地，模擬過程中考慮橋面同時下落的情況，模擬過程如圖4所示。數(shù)值模擬中，橋面高度按照試驗取7 m，計算時間為0 s，釋放橋面底部約束，開始下落;計算時間為0.5 s時，橋面正處于下落中，未接觸土體;計算時間為1.2 s左右時，橋面自由落體接觸土體，產(chǎn)生沖擊振動。實際情況中，根據(jù)加速度與位移公式

1/2 gt^2=s （3）

可得，s=7 m，g=9.8 m/s2時，t=1.195 s。在實際試驗中，橋面大約經(jīng)過1.1 s觸地，數(shù)值模擬與實際情況觸地時間基本吻合。

針對該試驗的擬合，主要考察應(yīng)變的最大值是否和試驗情況基本一致。數(shù)值應(yīng)變分析測點如圖5所示;地下管道環(huán)向和軸向最大應(yīng)變分別如圖6所示。

2.3 結(jié)果對比與分析

管道上S4點應(yīng)變時程曲線以及各監(jiān)測點應(yīng)變最大值的實測結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對比如圖7所示。

由圖7可以看出：（1）在應(yīng)變峰值上，計算值和實測值在幅值和變化趨勢上保持了較好的一致;（2）正中間測點S4的應(yīng)變時程曲線的計算值和實測值雖略有差異，可能與現(xiàn)場土層參數(shù)、坍塌過程的模擬（未考慮觸底時間差異等）等因素有關(guān)，但在趨勢上保持了較好的一致?？傮w來說數(shù)值計算的應(yīng)變結(jié)果與試驗變化規(guī)律基本保持一致，表明本文采用的數(shù)值方法是可靠的，可用于研究地表沖擊荷載對鄰近地下結(jié)構(gòu)影響分析。

2.4 與相關(guān)經(jīng)驗公式的對比分析

建筑物坍塌觸地振動速度限值目前暫無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實際操作中，一般采用中國科學(xué)院工程力學(xué)研究所周家漢研究員提出的經(jīng)驗公式[10]

v_t=k_t 〖[R/〖（MgH/σ）〗^（1/3） ]〗^γ （4）

式中 vt為地表質(zhì)點振動速度，M為塌落物質(zhì)量，g為重力加速度，H為落地高度，σ為地面介質(zhì)的破壞強度，一般取10 MPa，R為觀測點至沖擊點的距離，kt和γ分別為塌落振動速度過程中的衰減系數(shù)和指數(shù)，一般kt取3.37?4.09，γ取-1.66?1.80。

依據(jù)經(jīng)驗公式（4），選取計算參數(shù)為：kt=3.81，γ=-1.73，M=2500 kg，g=9.81 m/s2，H=3 m，σ=10 MPa，代入經(jīng)驗公式（4），同時采用數(shù)值方法建立自由場模型，計算得到地表距離沖擊點不同距離各點的振動速度峰值。經(jīng)驗公式和數(shù)值計算的結(jié)果對比如圖8所示，以經(jīng)驗公式的結(jié)果為基準(zhǔn)值，二者相對誤差如表3所示。

由圖8及表3可見：

（1）數(shù)值計算結(jié)果與經(jīng)驗公式在趨勢上保持了較好的一致;

（2）數(shù)值計算結(jié)果總體上小于經(jīng)驗公式，可能與數(shù)值計算中阻尼設(shè)置等因素有關(guān);

（3）坍塌觸地引起的振動衰減很快，對于本算例，其受影響的地表范圍約為5 m左右，但當(dāng)塌落物質(zhì)量或高度增加時，其影響范圍必定會隨之變化;

（4）在距離沖擊點較遠時，相對誤差較大是由于此時的地表振動響應(yīng)較小的緣故，但兩者在趨勢上保持了較好的一致。

結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗公式的對比分析，可認(rèn)為本文提出的數(shù)值模擬方法是合理可行的。

3 坍塌觸地沖擊振動作用下地鐵車站動力響應(yīng)分析

3.1 計算模型

整體模型由土體、地鐵車站及塌落物組成。土體模型尺寸為120 m×120 m×30 m，車站尺寸為寬21 m，長120 m，高14 m，取標(biāo)準(zhǔn)埋深3 m，其中車站頂板、底板和兩邊側(cè)墻厚度均為900 mm，中板厚度為400 mm，中柱橫截面尺寸取800 mm×600 mm。塌落物為體積1 m3的混凝土塊，混凝土塊底面距土體表面3 m，計算模型如圖9所示。取瑞利阻尼剛度和質(zhì)量系數(shù)分別為α=0.330， β=0.0194。

計算模型的其他細(xì)節(jié)及計算參數(shù)可參見第2.1節(jié)。

3.2 測點的布置

由于本次計算分析的重點是評價車站結(jié)構(gòu)的安全，因此主要監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動速度，如圖9所示，E點代表底板中心點，F(xiàn)點代表頂板中心點。

3.3 結(jié)果分析

地鐵車站E和F測點水平和豎向速度時程和傅里葉譜如圖10所示。由圖10可知：

① 豎向振動速度明顯大于水平振動速度，振動以豎向振動為主;

② 頂板振動的速度響應(yīng)明顯大于底板;

③ 水平和豎向振動的頻率主要集中在4?6 Hz左右，屬于低頻振動，與爆破荷載的頻譜成分完全不同。

地鐵車站的橫向（X向）和縱向（Y向）最大應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。由圖11可見最大峰值拉應(yīng)變和壓應(yīng)變分別為1.107×10-4和3.924×10-4。由規(guī)范[11]可得：混凝土的極限拉應(yīng)變約為1.0×10-4，極限壓應(yīng)變約為33×10-4。由此可見此時車站結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)變稍稍超出了混凝土的極限拉應(yīng)變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫;而結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)變則遠小于其極限壓應(yīng)變。由此可得兩條結(jié)論：

（1）地表沖擊對地下結(jié)構(gòu)的影響主要是使結(jié)構(gòu)承受較大的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫，危及結(jié)構(gòu)正常使用和安全;

（2）本次計算只考慮了單一塊體的沖擊效應(yīng)，此時結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)變已超出極限拉應(yīng)變，對于更大質(zhì)量的沖擊塊或更復(fù)雜的連續(xù)沖擊等情形，地表沖擊效應(yīng)對地下結(jié)構(gòu)安全的影響不容忽視。

4 坍塌觸地沖擊振動荷載下地鐵車站結(jié)構(gòu)安全性評價

4.1 評價標(biāo)準(zhǔn)的選取

目前還沒有關(guān)于地表強沖擊荷載對地下設(shè)施（隧道、地鐵車站等）影響評價的相關(guān)規(guī)范，目前的評價一般借用《爆破安全規(guī)程》（GB6722?2014）[12]采用振動峰值速度作為評價指標(biāo)（見表4，節(jié)選）。但文獻[12]是針對爆破荷載而確定的閾值，塌落觸地振動等屬于非爆破振動，因此借用爆破安全規(guī)程的合理性也需進一步完善。另外，中國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202?2013）[13]以及地方標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護技術(shù)規(guī)范》（DBJ/T 15?120?2017）[14]總體上規(guī)定：城市軌道交通結(jié)構(gòu)控制保護區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)拆除應(yīng)采用沖擊、振動較小的作業(yè)方案。同時，結(jié)合文獻[12]給出了城市軌道交通結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，即城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全允許振速應(yīng)為2.5 cm/s，實際使用時考慮到城市地鐵線路的重要性，為確保車站或隧道安全，一般限制到2.0 cm/s或更低。

考慮到本文的對象為城市地鐵車站，如果參照文獻[12]，則其振動速度限值應(yīng)參照交通隧道為10?12 cm/s，該閾值顯然過大。因此，本文參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202?2013），保守的取2.0 cm/s作為振動速度閾值。

4.2 安全性評價和分析

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)工況為：車站結(jié)構(gòu)為兩層三跨，埋深3 m，塌落物為1 m3混凝土塊從3 m高度落下，沖擊點為車站結(jié)構(gòu)正上方。然后基于第3節(jié)的數(shù)值分析方法，本小節(jié)考慮一些關(guān)鍵影響因素，主要包括：

（1）塌落物體積：分別考慮1，2和3 m3三種體積對應(yīng)的不同質(zhì)量;

（2）塌落物高度：分別考慮3，5和7 m;

（3）塌落物數(shù)量：分別考慮1個、2個塌落物，且考慮從同一、不同高度同時落下;

（4）塌落物距離車站邊緣凈距離：車站正上方、

（5）車站結(jié)構(gòu)形式：雙層單跨、雙層雙跨、雙層三跨;

（6）車站結(jié)構(gòu)埋深：3和5 m。

各工況計算得到的車站頂板振動速度峰值如表5所示。由表5可見：

（1）地鐵車站頂板的振動速度隨塌落物質(zhì)量的增加而顯著增加，可見在實際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制塌落物質(zhì)量，以降低其對周邊的影響;

（2）車站的振動隨塌落物高度的增加而增加，但由于本文考慮的高度差別不大，因此結(jié)構(gòu)振動速度的差異也不大，但基于這個趨勢，在實際高層爆破拆除施工時也應(yīng)關(guān)注高度因素的影響;

（3）塌落物數(shù)量的增加必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的增大，但并不是線性疊加的增大;

（4）隨著塌落物距離車站中心距離的增加，結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)急劇降低，這與圖8所展示的規(guī)律一致;

（5）車站結(jié)構(gòu)形式對其振動響應(yīng)的影響不顯著，具體表現(xiàn)在跨度越小振動響應(yīng)越大，可能原因是寬度越小，結(jié)構(gòu)剛度越大;

（6）車站結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨埋深的增加而降低，一方面是沖擊點與結(jié)構(gòu)的距離在增加，另一方面在于更多的土體吸收了能量。

總體來看，若振動速度閾值取為2.0 cm/s時，在較大塌落物質(zhì)量以及多個塌落物時均會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動速度超標(biāo)。可見，在實際爆破拆除時需重視坍塌觸地引起的振動及其對鄰近地下結(jié)構(gòu)安全性的影響。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

本文結(jié)合某實際大型高架橋梁的爆破拆除工程，基于單跨橋梁的足尺模型試驗數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗公式，初步確定數(shù)值分析方法，然后基于已有相關(guān)規(guī)范，給出了地鐵車站結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)和閾值，對典型地鐵車站在不同因素下的結(jié)構(gòu)安全進行了評價和分析，并給出了相關(guān)建議，得到的主要結(jié)論如下：

（1）采用本文的數(shù)值模擬方法研究塌落觸地振動對地下結(jié)構(gòu)的影響是可行的，數(shù)值模擬方法可以用來研究地下結(jié)構(gòu)在坍塌觸地沖擊作用下的動力響應(yīng);

（2）塌落觸地引起的振動屬于低頻振動，以豎向振動為主，豎向振動遠大于水平振動，且豎向振動衰減迅速;

（3）當(dāng)塌落物質(zhì)量較大或多塌落物沖擊時，地下結(jié)構(gòu)的振動將會超出閾值，引發(fā)結(jié)構(gòu)安全隱患，而這是實際爆破拆除時最常見的情況，因此在實際工程中坍塌觸地沖擊振動對地下結(jié)構(gòu)安全的影響不容忽視。

5.2 展 望

本文對高架橋的坍塌觸地試驗和數(shù)值模擬進行了分析，并對地鐵車站在坍塌觸地沖擊下的動力響應(yīng)進行了數(shù)值模擬分析，希望能為以后其他的試驗以及數(shù)值模擬提供幫助，但由于各方面的原因，文章依舊存在許多不足和待改進的地方：

（1）土介質(zhì)的變化必將影響沖擊能量的耗散和傳遞，因此不同土介質(zhì)中地下結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)比不相同，后續(xù)可按土的常規(guī)分類，分析不同土類的影響;

（2） 限于實測數(shù)據(jù)的缺失，數(shù)值模擬分析和試驗分析時只關(guān)注其峰值應(yīng)變這一點有待商榷，應(yīng)綜合分析各時程曲線圖;

（3） 此次模擬的地鐵車站結(jié)構(gòu)形式較簡單，塌落物尺寸也較小、形狀規(guī)則，后期需要結(jié)合工程實際情況針對不同的地鐵車站以及較大質(zhì)量和不規(guī)則塌落物的情況，進一步研究地鐵車站結(jié)構(gòu)在塌落觸地振動作用下的彈塑性動力響應(yīng)，并進一步從破壞機理層面進行深入分析，而不僅僅停留在振動速度幅值對比上;

（4）目前還沒有統(tǒng)一的、廣泛認(rèn)可的評價標(biāo)準(zhǔn)，本文僅基于已有規(guī)范，保守的取振動速度閾值為2.0 cm/s，尚需進一步的理論驗證，提出更精確的閾值。

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Safety evaluation and dynamic response analysis of subway stations under touchdown impact

WANG Guo-bo1， YIN Yao1， XIE Wei-ping2， JI Shan2， QIE Jia-lin3

（1. College of Civil Engineering and Architecture， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070， China;

3. China Construction Third Engineering Bureau Group South China Co.， Ltd.， Guangzhou 510600， China）

Abstract： With the continuous development of urbanization in China， many buildings are faced with demolition， and the impact of the collapse will inevitably affect the underground structures around buildings. In this paper， a combination of field test and numerical simulation is used to investigate the impact of collapse on the adjacent metro station. Based on the results of a test for a full-scale single-span viaduct， the dynamic response of the underground pipeline under the overall collapse of the bridge deck is analyzed. The rationality of the numerical analysis method is verified based on the experimental data and empirical formula. The parameter analysis of the key influencing factors is performed by the validated numerical method， and the evaluation index and threshold are proposed based on the calculation results. Considering the key influencing factors such as the volume， height and quantity of the collapse， the vibration response law and safety of the station structure under various factors are evaluated.The results of this paper show that： （1） the vibration caused by the collapse is dominated by vertical vibration; （2） the numerical analysis method used in this paper is reasonable and feasible; （3） the influence of the vibration caused by the collapse on the adjacent metro station cannot be ignored， especially when the mass of the collapse is large or there are many collapse， which are more common in actual situations. The research results are of some significance for the protection of underground structures.

Key words： subway station; touchdown impact; dynamic response; safety evaluation

作者簡介： 王國波（1979?），男，教授。電話：18086636508;E-mail： wgb16790604@126.com

通訊作者： 謝偉平（1965-），男，教授。電話：13871061394;E-mail： wpxie@sina.com