設備監(jiān)理：地鐵地下結構抗震分析及設計中的幾個關鍵問題

1、設備監(jiān)理：地鐵地下結構抗震分析及設計中的幾個關鍵問題     摘要：針對我國尚缺少完善的地鐵地下結構抗震分析方法和專門的地鐵結構抗震設計規(guī)范的現(xiàn)狀，在分析目前我國地鐵等地下結構抗震研究及設計方法的基礎上，重點闡述了需要迫切解決的五個關鍵問題：合理的地下結構動力分析模型，高效的地下結構地基系統(tǒng)動力相互作用問題分析方法，合理而實用的地鐵地下結構地震破壞模式和抗震性能評估方法，地鐵地下結構抗震構造措施，地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設計方案及工程措施。這些問題的研究和解決將為地鐵地下結構抗震設計規(guī)范或規(guī)程的制定奠定堅實的基礎。關鍵詞：地鐵；地下結構；土結

2、構動力相互作用；地震反應；抗震設計引言隨著城市化的發(fā)展，城市交通狀況及環(huán)境條件日趨惡化，交通的擁擠和效率低下成為各大城市的通病，人們逐漸認識到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運量快速公共交通系統(tǒng)是解決問題的重要途徑1實踐證明，地鐵以其快速、高效、清潔的特點，在世界上大多數(shù)經濟發(fā)達地區(qū)大城市的客運交通中發(fā)揮著不可替代的作用，比如東京、莫斯科、倫敦等1近年來，我國的地鐵建設也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例，目前地鐵線路總長114km（包括地面軌道線路），按照北京奧運行動規(guī)劃，到2008年運營里程將達到202km，長遠規(guī)劃總里程超過600km另外，上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽等大城市也正在或者即將建設地

3、鐵或輕軌?？梢哉f，我國已經進入了地鐵工程建設的黃金時代。地鐵工程是生命線工程的重要組成部分，其抗震問題已經成為城市工程抗震和防災減災研究的重要組成部分。美國、日本等國家都曾經對地鐵等地下結構的抗震設計理論進行了研究，提出了一些實用的抗震設計方法25但我國在這一領域的研究相對滯后56迄今為止，我國還沒有獨立的地下結構抗震設計規(guī)范，GB5015792地下鐵道設計規(guī)范和GB501572003地鐵設計規(guī)范對地鐵的抗震設計都只給出了極為籠統(tǒng)的規(guī)定，其原因主要是研究工作開展不夠，對地下結構抗震設計方法缺乏系統(tǒng)研究。長期以來，地鐵結構的抗震設計基本是參照GBJ11187鐵路工程抗震設計規(guī)范中有關隧道部分的條

4、文和GB500112001建筑抗震設計規(guī)范，采用地震系數(shù)法進行的。地震系數(shù)法用于地下結構抗震計算時具有明顯的缺陷，比如按照地震系數(shù)法，作用在地下結構的水平慣性力隨埋深的增加而增加，這與實際情況明顯不符。出現(xiàn)這一局面的原因與人們對地下結構震害的認識不無關系。客觀地講，地下結構由于受到地層的約束，加之城市隧道大多采用抗震性能較好的整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構及能夠適應地層變形的裝配式圓形結構，震害明顯低于地上結構6高烈度地震區(qū)內的城市地鐵大規(guī)模建設是在近20多年才出現(xiàn)的，大多數(shù)還沒有經過大地震的檢驗，因此災難性的震害記錄不多，于是人們普遍認為地下結構在地震作用下所受破壞程度遠比地上結構輕。但在1995年

5、日本阪神大地震中，神戶市地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴重破壞的事實給這種傳統(tǒng)觀念帶來了巨大的沖擊，引起了眾多地震工作者的極大重視79阪神地震清楚地表明，在地層可能發(fā)生較大變形和位移的部位，地鐵等地下結構可能會出現(xiàn)嚴重的震害，因此對其抗震問題應給予高度重視。目前研究地下結構抗震性能的主要途徑有：原型觀測、模型試驗和數(shù)值模擬。由于問題的極其復雜性，目前還沒有哪一種手段能夠完全實現(xiàn)對地下結構動力反應進行全面而真實的解釋和模擬。一般是通過原型觀測和模型試驗結果來部分的或定性的再現(xiàn)實際現(xiàn)象、解釋物理機制、推斷變化過程、總結特性規(guī)律和分析災變后果，在此基礎上建立合理的能夠反映實際動力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型，

6、發(fā)展相應的數(shù)值分析方法；再通過模型試驗和原型觀測結果加以驗證。然后對不同抗震設計方案進行計算分析，盡可能地再現(xiàn)和模擬其實際動力反應，研究其抗震性能，提出相應的抗震對策。這是研究和評價地下結構抗震性能的較為合理的有效途徑。阪神地震后，我國對地鐵等地下結構的抗震問題進行了一系列的研究1023，但仍然缺少實質性進展。為改變目前我國在這一研究領域中的落后局面，需要在理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗等方面開展更為深入的工作，系統(tǒng)地研究地鐵車站及區(qū)間隧道等的地震反應，以圖在抗震分析及設計方法與理論基礎方面有實質性的突破。目前我國地鐵抗震分析及設計中存在諸多問題尚待深入研究，其中目前迫切需要解決的關鍵問題主要體

7、現(xiàn)在以下5個方面。1土結構動力相互作用分析模型強地震作用下，地下結構與地基介質可能呈現(xiàn)明顯的非線性、彈塑性狀態(tài)，地下結構與地基之間的接觸面還可能出現(xiàn)局部滑移、脫離等非連續(xù)變形現(xiàn)象，除此之外，地鐵地下結構地基動力相互作用分析模型還應該合理考慮地基半無限性的影響。因此，一個合理的地下結構分析模型既要考慮對半無限地基的模擬，還必須全面考慮4種非線性因素：結構材料非線性、結構地基動態(tài)接觸非線性、近場地基非線性與遠場地基非線性。目前對包括鋼筋混凝土等在內的結構材料非線性性質的研究相對成熟；結構地基動態(tài)接觸非線性的研究也已經取得較大進展2425；針對地基半無限性及遠場地基特性的模擬問題已經發(fā)展了多種動力人

8、工邊界2629；關于土的非線性問題（尤其是動力非線性問題）的研究更是發(fā)展出幾十種動力非線性本構模型30，目前雖然沒有任何一個模型具有廣泛的適用性，但針對具體的問題也不乏有合理而實用的選擇。上述問題的研究已經取得了相當豐富的成果，但是如何根據這些研究成果構造合理的地鐵地下結構地震反應分析模型還需要進行深入的研究和探討。對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結構來說，周圍地基特性對結構地震反應及破壞特征的影響顯著。在地震反應過程中，周圍地基尤其是上覆土層的重力效應對結構地震對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結構來說，周圍地基特性對結構地震反應及破壞特征的影響顯著。在地震反應過程中，周圍地基尤其是上覆土層的重力效應對結

9、構地震反應會產生不容忽視的影響。如何合理地反映地基的靜力效應及地基半無限性的影響是一個比較重要的問題。這一問題的解決涉及到動力人工邊界及靜力人工邊界的合理確定和設置。由于目前已有的動力人工邊界一般不適用于地下結構地基系統(tǒng)的靜力分析，因而普遍的解決辦法是針對靜力問題和動力問題采用不同的人工邊界。對于靜力問題，采用固定人工邊界或其他靜力邊界（邊界元或無窮元），而動力問題則采用動力人工邊界，這導致形成了兩個不同的分析模型。針對不同模型，首先分析靜力問題，然后基于靜力分析結果進行動力分析，最后將兩種分析結果進行組合。這種做法不僅麻煩，也不能很好地反映地下結構周圍地基的重力效應對非線性結構地震反應的影響

10、。因而有必要發(fā)展一種對靜力分析和動力分析均能適用的靜動力統(tǒng)一人工邊界，并提出直接在靜動力統(tǒng)一人工邊界上實現(xiàn)地震波場的輸入方法?；陟o動力統(tǒng)一人工邊界建立一個可考慮上覆土層的重力效應、實現(xiàn)強地震動有效輸入、合理反映結構材料非線性、結構地基動接觸非線性、近場地基非線性與遠場地基非線性等影響因素的理論分析模型是完善地下結構靜力分析及地震反應分析的合理途徑。2土結構動力相互作用分析的快速高效算法求解土結構動力相互作用問題的方法可以分為解析法、半解析法和數(shù)值法等2，31由于地下結構的復雜性，解析法和半解析法的使用受到限制，而數(shù)值方法的使用最為廣泛。在眾多數(shù)值方法中，有限元法由于具有靈活方便、適應性強的優(yōu)

11、點，得到了廣泛的應用。當采用有限元法結合人工邊界對強地震作用下的土結構開放系統(tǒng)進行整體分析時，由于系統(tǒng)非線性的影響，必需采用時域逐步積分算法完成計算，當所研究問題的尺度大、力學模型的自由度多時，其分析計算工作量巨大。地鐵地下結構構造復雜，往往又處在一個復雜的地震動場中，雖然目前由于分析手段的限制或出于簡單滿足工程設計目的考慮，常常采用切片的二維計算模型進行抗震分析，但為更深入研究和了解地鐵地下結構的地震反應規(guī)律、分析不同地震動場的綜合影響，采用地鐵地下結構三維整體模型進行研究還是必需的。有限元離散模型中單元尺寸的大小與地震波及傳播介質的性質有關。對于位于土中，特別是軟土中的地下結構進行地震反應分析時，為對土中地震波的傳播有足夠的模擬精度，往往需要采用尺寸足夠小的單元，導致離散模型單元數(shù)目很多。地鐵地下車站的長度一般超過100m，甚至達200m，因而地鐵車站地基系統(tǒng)計算分析模型尺度很大，尤其是需要同時研究地鐵車站與區(qū)間隧道連接處等震害易發(fā)生部位的地震反應及破壞規(guī)律時，計算模型的尺度將更