地震耦合作用下地下车站结构的抗剪性能研究综述

王 唢

（四川建筑职业技术学院 铁道工程系， 四川 成都 610399）

0 引言

我国所处的地壳板块位于环太平洋地震带，这条板块是最大的大陆浅源强震活动区当中的其中一个，整个区域内的地震活动比较频繁。从全国范围来看，在300多个城市中，有一半以上的地块位于地震基本烈度7度或7度以上的区域，更有一些大城市是处在8度的高烈度地震区，例如北京、天津[1]。鉴于以上特殊地理条件，我国地下车站在设计初期首要面对的是问题就是抗震设计和抗震安全性能评估。

由于研究者们各自侧重的角度不同，分析模型与方法上的差异，以及对震害机理和破坏模式的解析的侧重点不一致，对地下结构抗震性能的理解不同，导致在这方面的研究仍存在一些认识上的歧义，至今未达成共识。

1 地震作用研究

对于地下车站结构的抗震性能的研究工作，在国内外已经累积了大量的理论、数值和试验数据。对于地震作用的外在因素影响，各方的认识并不完全相同，多数解释是认为地震产生的土层水平变形施加到地下结构上的剪切作用是主因[1]，部分研究者认为竖向地震作用是主因[2-4]，也有专家[5，6]认为应耦合考虑地震的水平与竖向作用。

从传统的观点上讲，水平地震力是引起地下车站结构破坏的决定性因素，而竖向地震力上所产生的影响并不明显。周少斌[1]以日本大阪地铁车站震害实例为模型进行破坏机理，表明水平方向的地震波才是导致地铁车站结构震害主要原因。

近年来，研究者们在全球范围内所发生的强烈地震进行了详细调查，这些震害调查数据显示出，许多土木结构的破坏是受到了竖向地震力作用的影响，甚至有时会成为导致该结构破坏的直接原因。在高烈度区，特别是震中区，竖向地震力对土木结构的影响是非常明显的。张延年等[7，8]研究指出，无论是否考虑竖向地震作用，MRD对结构均有良好的控制作用，但是在考虑竖向地震作用存在时，其增量随竖向地震作用呈递增变化。因此该学者建议在高烈度地区的MRD结构应考虑竖向地震作用对结构的影响。尹奋[9]通过OpenSees对一栋3层钢筋混凝土框架进行增量动力分析，验证了竖向地震作用的重要性。

黄昱华等[10]通过对比研究单维竖向地震波和耦合激励作用下结构体系的动力相应模型， 得出在结构抗震设计中宜适当考虑地震的耦合影响。在分析地铁地下结构的抗震性能时，应当将竖向地震作用作为重要因素予以考量，应当全面综合考虑水平与竖向地震耦合作用对地铁车站结构所产生的影响，以提高地铁地下结构抗震设计的合理性与安全性。

2 地下车站结构抗剪性能研究

从现研究阶段看，关于地下结构地震反应规律的研究已经开展了很多年，但由于研究者们研究的侧重面不同，在一些研究方向上仍有空缺。例如，关于地下结构地震破坏机理的认识并没有达成共识，尤其是耦合地震作用形式和结构构件抗震能力（强度、变形、荷载转移等能力）的基础之上，系统性分析构件强度、变形能力动态调整的成果仍很缺乏[11]。

田雪娟[12]研究中指出中柱成为结构中抗震不利的构件的原因：虽然中柱是轴向受力构件，但是地震作用下，结构依然有剪切变形，因此柱子两端相对位移增加导致柱端弯矩有较大的增幅，从而使中柱。李凤丽[13]分别采用不同地震波，以上海市轨道交通某线地下车站为实例，分析研究了地震影响下地下车站结构抗弯、抗剪及变形能力。

一些学者通过数值模拟分析，提出了新的研究计算方法。陈之毅[14]通过模拟分析，提出了整体强制反应位移法，该方法是一种地下结构简化抗震计算方法。朱俊[15]提出了一个FE-IBE耦合方法进行地下结构非线性地震响应分析。路德春[16]在“中柱变形能力不足导致大开车站的塌毁”这一观点基础上，优化分析了大开车站中柱的失效模式，从而提出一种新型叠层加芯柱以增加地铁车站的稳定性。

3 我国抗震设计规范研究

由于我国现行的抗震设计规范并没有对于地震作用反应谱的规定做出详细的规定，导致在现行规范中，缺乏完善的理论和实践结果作为依据，对结构设计在抗剪能力影响因素的调整系数上考虑较少。系数取值没有针对性而以经验为主，相较于国外规范而言数据值偏小，其有效性也还有待进一步研究[17，18]。

建筑抗震设计规范 GB50011-2010（2016版）[19]在规范中没有直接给出竖向地震作用设计的反应谱，只是在第 5.3.1～5.3.4条中对竖向地震作用的计算方式给予了简化的规定。在城市轨道交通结构抗震设计规范 GB 50909-2014[20]中，也只是同样在第5.3.1和5.3.2条只对竖向设计地震动参数给出了简要规定。

侯莉娜[21]针对城市轨道交通结构抗震规范中地震动参数以及抗震措施等方面存在的一些值得商榷的问题，给出了相关建议。这说明，有必要进一步分析合理的地下车站结构破坏机理和失效模式，以及开展与之对应的抗震设计实用分析方法的研究，最终达到既要在安全性上有保证也要能够合理的节约投资成本。

周航[18]根据我国现行规范分别设计了低烈度区（6 度）和高烈度区（9 度）剪力墙和框架剪力墙结构算例，考察了现行规范对剪力墙能力设计措施的有效性；通过算例分析，对比计算了几种工况下，达到预期破坏模式情况下，结构的弯矩和剪力需求。邓宇洁，梁发云[22]根据现行国家规范和上海地方抗震设计规范提供的分析方法，通过分析典型两层双柱三跨地铁车站结构，利用数值模型对地震反应进行了对比验算。

许紫刚等[23]针对我国现行《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909-2014)推荐采用的反应位移法展开了分析，得出该方法存在一定的局限性，对此提出了一种适用于复杂断面地下结构地震响应分析的广义反应位移法。

4 结论

在我国现行的规范中，对于结构抗剪能力调整系数产生影响的因素考虑得还不够全面，还没能以足够充分地实践数据作为依据来形成完善的理论体系。在应用中因为缺乏针对性地研究，所以多以经验为依据取值，系数取值相较于国外的规范而言也偏小，其有效性也还有待研究。因此，有针对性地、全面综合地，分析地下车站结构地破坏机理和失效模式对指导地下车站结构的抗剪性能研究至关重要，尤其是开展与之相适应的抗震设计实用分析方法的研究也是关键中的关键；系统性的研究成果不仅在安全性上有保证，也要能够合理的节约投资成本。