地铁地下结构抗震分析及设计

■汪 鹤 ■南昌轨道交通设计研究院有限公司，江西 南昌 330000

随着时代的发展，环境的不断恶劣和城市交通的逐步恶化，交通问题成为各大都市重点问题，人们也慢慢的知道了解决这个问题的重要方法就是以地下铁道为主要的公共交通系统，因为地铁的高速快捷、以及清洁的特征，使它在很多的经济发达城市中占着不可缺少的角色。现在我国很多地方也建设了轻轨或者高铁，可以说中国当前已经进入到了地铁建设的黄金时代，地铁工程的抗震问题也因此成为城市工程防灾和抗灾中最为重要的研究问题。

我国对地铁的抗震问题也进行过研究分析，不过因为只能通过模型试验、原型的观测以及数据的模拟这几种途径进行研究，所以并没有什么突出的进展。当前我国对于这一方面的探究还属于较为落后的，为了取得突出成就，改变落后局面，我国对模型试验、原型的观测以及数据的模拟进行的更深层次的探索。当前中国还需要对很多的问题进行更加深层的探索，但最为主要的是以下几点问题。

1 对土－结构动力互相作用进行的快速高效算法

数据法、半解析法以及解析法等都是解决土－结构动力互相作用问题的方法。因为半解析法和解析法受到地下结构的限制，数据法又是运用作为广泛的，所以数据方法里，有限元法因为适应性较强而且较为灵活，所以它得到了广泛的使用。因为系统非线性的干扰，所以在有限元法和人工边界相结合使用，对土－结构开放系统做全面的分析时，一定要运用时域逐步积分的算法进行计算，在对它做研究时力学的模型自由度太多、尺度太大时，对它的分析量也就会是很大的。因为地下结构构造过于繁琐，还经常处于较为复杂的地震动场里，这对研究会产生很大的影响。当前我国经常运用二维计算模型做抗震研究和分析，不过因为要对地铁低下结构的地震所反映的规律进行更深层次探索，所以对地下构造三维整体模型做研究是很重要的。

2 对土－结构动力互相作用做的分析模型

在强烈的地震的作用效果之下，地基介质和基底结构将会显示清晰地弹塑性状态与非线性状态，地下结构和地基的接触面很有可能会产生局部脱离、滑落等不连续变形的状况，地下结构中的地基动力的互相作用分析的模型还必须要思考地基半无限性对它的不好影响。所以，正确的地下结构分析模型应该不但对非线性因素做全方位的考虑，还应该对半无限地基的模拟进行全面考虑。结构中地基动态的接触非线性、材料的非线性、远近场地基的非线性都是非线性因素。当前中国对结构材料非线性性质的研究相对来说较好一些;对于结构中的地基动态接触非线性的研究探讨同样有较大的突破。对土的非线性问题的研究，特别是动力非线性问题的研究有着最大的突破，做到了发展到几十种动力非线性本构模型的地步，而对结构地基中的远场和无限性类型的模拟问题发展出了多种动力人工边界。尽管还没有哪一个模型得到了广泛的应用，但是对于当前我国所针对的问题也会有不少的正确、科学并且有效的选择。上面所说的各类问题的研究都已经有了很好的研究成果，不过对于要怎样的利用这些研究成果做出构造正确、科学以及合理的地铁地下结构抗震的反应分析模型还必须要做更深层次的分析探索。

3 抗震性能的评估方法以及抗震破坏的模式

对于地下机构抗震理论最为实用的一种方法就是动力时程分析的方法，但是为了更好地对地下结构极限的承载能力和做抗震设计，就必须要在进行探索，以求发展较为有效以及简单的分析方法。观察当前我国的抗震设计方法，对于发展新的抗震方法和新的评估地震破坏模式是很有必要的。当前我国的相关法律规定对于抗震设计必须要在大地震作用的结构弹塑性的变性进行严格的演算。对大地震作用之下的弹塑性变形进行的演算对于地下结构特别是地铁车站结构来说也是很重要的。动力时程分析的方法、静力增量的分析方法以及静力弹塑性分析的方法都是属于最为常用的几种方法。动力时程分析法是因为计算地震反应的时候结构所反映的内力以及变形的状态，从而得出的结构开裂以及屈服的顺序，再发现塑性变形和应力所聚集的位置，最后再对结构的薄弱环节、屈服机制和有可能发生破坏的类型，这样得出的结果也比较准确，不过因为计算的工作量过于太大，计算的结果也会经常受到地震波的影响，把这些用于常规的设计还是会有很多困难的。静力增量的方法相对于比较简便一些，不过它却没有考虑到结构自震的特点和地震作用的密切关系。而Push－over分析的方法相比来说就挺好的，它既考虑到了地下结构会受到周围地基约束的特征，从而提出相对应的抗震分析和设计方法，使它对当前的承载力设计方法做到突破，让地下结构的抗震设计更加的科学、简单和有效。

4 抗震构造措施

当前中国对于地下结构的抗震设计中结构构件所运用的抗震构造措施还没有得到统一的肯定。分为两种观点，一种观点是认为可以按照建筑结构的要求，比如，一个城市如果它的抗震设防烈度是7度的话，就必须按照8度的标准设置相应的构造措施，把抗震的等级提高一级。而另外一种观点就是认为地下结构因为受到底层的制约，地震的时候结构构件很少会出现狡辩内里的状况，就不用再对地下构造的措施进行过多的考虑了，在地面建筑物和地下结构相结合的时候，这个时候才应该考虑依照地面结构的抗震要求做相应的构造措施。把这两种观点作比较可以得出，这两种观点都有缺陷。前者认为地面构造和地上构造相同，后者则是将地震对地下结构导致的破坏完全的忽视了。其实我们应该把施工方法与围岩条件相对比进行区别，在对它们分别进行研究分析，然后再依据地下结构在地震的作用效果之下的破坏情况和受力特点，对其进行针对性的分析，运用合理、科学的抗震措施。确保地下结构整体的抗震能力可以达到预期的效果、将抗震能力提高、减少结构的破坏的重要方法是抗震构造措施。它可以把构造的潜力挖掘出来，它比只是用设防标准将抗震能力增强的办法更加的科学、合理和有效。而这方面的工作重点最应该放在地下结构构件的延性和耗能能力的提高，还有将薄弱的部件受力的改善之上。地下工程中抗震构造方面产生的问题还有很多很多，比如，后砌的内部承重结构与非承重隔墙的抗震构造要求，还有抗震缝的设置方法和原则等。

5 结语

地铁在当代是不可缺少的，地铁的地下结构是最为重要的生命线工程，它的运用周期较长，造价很高，一旦出现意外，地铁发生破坏，就会很难修复，这会给经济造成很大的损失。如今我国的地铁建设已经达到了最高潮，我国的地铁建设很多都建设在高烈度的地区，最大的不足就是我国目前还没有科学正确的抗震构造措施，还有完美的地铁地下的构造抗震分析的方法，所以我们才会对系统的理论进行深入的分析，开展了实验的研究和数据模拟，做出最为合理、科学和有效的地下结构抗震设计的方法以及理论，将地下结构的抗震措施进行完善，找出最好的地下结构抗震体系，是它们有着很重要的工程应用价值和重要的科学的意义。

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