浅析地铁等地下结构的抗震分析和设计中的问题

浅析地铁等地下结构的抗震分析和设计中的问题摘要:目前我国还没有系统完善的地铁等地下结构抗震分析方法和专业的地铁等地下工程结构抗震设计规范,本文首先总结了我国地铁等地下工程结构抗震分析和设计的现状,围绕地铁设计当中的几个关键问题展开讨论,问题包括:合理的地铁工程结构的动力分析模型;有效的结构和土动力相互作用分析方法;地铁等地下工程结构破坏模式和地铁抗震性能的评估;地铁工程结构的抗震构造措施和地铁穿过地震断层时的设计和施工方法。这些问题的分析和讨论有助于我国地铁工程结构设计的发展进步。

关键词:地铁抗震设计地下结构

伴随着我国经济的发展,城市建设日新月异,城市交通的压力也越来越大,地铁以其高效、快速和清洁的优点成为各大城市的选择。到目前为止,我国已进入了地铁建设的黄金期。与此同时,必须认识到地铁工程也是城市生命线工程,地铁工程的抗震问题是城市防灾减灾和抗震的关键环节。然而,国内还没有独立的地铁等地下工程结构抗震设计规范,现行《地铁设计规范》在地铁的抗震问题上只是做了简单的规定,没有对地下结构的抗震设计方法进行系统的总结和归纳。出现这些问题的原因是由于人们对地下结构的地震危害认识不够,对地下结构的抗震设计不够重视,客观地说,地铁等地下结构的地震危害小于地上结构,但是国外的地震灾害(如1995年日本阪神大地震)证明在地下底层发生较大位移或变形时,地铁等地下工程结构同样会发生很

严重的灾害,地铁等地下结构的抗震设计问题应该重视。

目前对地铁等地下结构抗震性能的研究主要是通过原型观测、模型试验及数值模拟进行,由于抗震问题的复杂性,没有哪一种方法能够全面且真实的解释和模拟地铁等地下工程结构的动力性能,而需要结合三种方法的结论进行综合比较分析。本文主要分析总结地铁抗震分析设计中的几个关键问题。

1 结构和土相互作用的分析模型

在地震作用时,地铁等地下工程结构和土会出现弹塑性和非线性的特点,相互之间的接触有可能出现局部的滑移和脱离。因此,在建立结构和土相互作用结构模型时要考虑结构材料的非线性、结构和地基接触的非线性、近场地基和远场地基的非线性等因素。目前对这几种非线性的单个研究已经很成熟,但是在实际工程中如何综合利用这些非线性的研究成果来建立合理的地铁等地下工程结构的分析模型还要进一步的讨论。

地铁车站等地下结构受到场地周围地基地震反应的影响十分显著,在地震作用时,地铁周围的土特别是上层覆土的重力作用对地铁结构的影响不容忽视,因此,如何在分析模型中体现地铁地基的静力作用和地基的半无限性也是一个很重要的问题。解决这一问题主要靠合理的设定静力人工边界和动力人工边界,但是目前的边界模型一般来说

不适合应用与地下结构,很有必要发展一种对静力分析及动力分析都可以适用的静力—动力人工边界,直接在边界上输入地震波,计算结构的地震反应。

2 结构的地震破坏模式及抗震能力的评估

现在常用的动力时程分析方法适合分析地铁等地下工程结构,但是应用这种方法进行地铁等地下工程结构的承载力极限状态评估和抗震设计时就有一些不足。地面建筑结构主要通过验算结构在地震作用下的弹塑性变形来进行抗震能力的评估,对于地铁等地下工程结构来说,计算结构在地震作用下的弹塑性变形也是十分必要的。相对地面结构来说,在应用地震时程分析方法对地下结构的地震反应进行计算时计算量很大,且计算的结果手地震波的影响也很大,计算结果应用与地铁等地下工程结构的抗震设计时有困难。此外广泛应用于地上结构抗震计算的静力增量分析法和push-over方法,受到地上结构和地下结构地震反应规律不同的影响,也无法适用于地铁等地下工程结构的抗震计算。此外,和地上结构不同,地铁等地下工程结构受到周围地基的约束很大,地下结构整体在发生很小的变形时,在局部会产生很大的内力,不能把地上结构的极限状态标准应用于地下结构。总结地铁等地下工程结构受到地震作用时的内力-变形规律和破坏模式,有必要进行进一步的试验研究和理论分析,考虑地下结构受到地基约束的特点,提出地铁等地下工程结构基于位移的抗震设计和分析方法,建立地铁

等地下工程结构抗震性能的量化指标体系,使地铁等地下工程结构的抗震设计更加合理。

3 地铁结构的抗震构造措施

目前,国内对地铁等地下工程结构构件的抗震构造措施没有统一认识和标准。有人认为在地下结构和地上结构一同建造时,才需要按照地面结构的抗震构造措施进行设置,当只有地下结构时,地下结构受到地基的约束较强,地震作用时不会有交变内力出现,不需要对单建的地下结构进行抗震构造的设计。另一种观点认为地铁等地下工程结构需要按照地面民用建筑的抗震构造措施进行设计。总的来看,这两种观点都不全面,地下结构不同于地上结构,但是也不能忽视地震对地下结构的破坏,而是应该根据不同的施工方法和围岩条件,计算分析地下结构在地震作用时的破坏特点进行有针对性的抗震构造设计。抗震构造是提高结构在地震作用时整体抗震能力,增加结构延性的重要手段,在一定的条件下,设置抗震构造措施会比单一的提高结构抗震设防标准更加经济合理。地铁等地下工程结构的抗震构造应该重在改善结构的薄弱部位,提高结构的耗能能力,增加结构的整体延性。

4 地铁等地下结构穿越地震断层时的设计和施工

我国的《建筑抗震设计规范》GB50011-2001要求建筑物的选址应该避开地震断层,防止地震作用时对结构造成破坏。这一要求对地面建筑来说是合适可行的,但是对于地铁等地下工程结构来说,穿越地震断层有时候无法避免。目前我国有对地埋管线和地下管道等小断面结构穿越地震断层的抗震设计研究,对地铁等地下工程结构的研究还不多。伴随着在我国北京上海等大城市进行的地震活动断层的勘探,对地震断层区域的掌握,有必要根据地震活动断层的特点,对地铁等地下工程结构进行必要的抗震设计,保证结构的安全可靠。

5 结论

地铁等地下工程结构的造价高、设计使用周期长,是生命线工程,发生破坏时,造成的损失巨大,修复十分困难,造成的经济损失大。伴随着我国地铁建设高潮的来临,有必要完善地铁等地下工程结构的抗震分析设计方法和抗震结构构造,开展地铁等地下工程结构的抗震试验研究、理论分析和数值模拟都具有重要的工程应用价值。

参考文献

[1]马险峰.地下结构的震害研究[D].上海:同济大学,2000.

[2]董鹏,周健.土与结构相互作用下的地下建筑物动力可靠性分