地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题万芳

地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题

摘要:针对我国尚缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和专门的地铁结构抗震设计规范的现状,在分析目前我国地铁等地下结构抗震研究及设计方法的基础上,重点阐述了需要迫切解决的五个关键问题:合理的地下结构动力分析模型,高效的地下结构-地基系统动力相互作用问题分析方法,合理而实用的地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能评估方法,地铁地下结构抗震构造措施,地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施。这些问题的研究和解决将为地铁地下结构抗震设计规范或规程的制定奠定坚实的基础。

关键词:地铁;地下结构;土-结构动力相互作用;地震反应;抗震设计引言 随着城市化的发展,城市交通状况及环境条件日趋恶化,交通的拥挤和效率低下成为各大城市的通病,人们逐渐认识到发展以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统是解决问题的重要途径[1]。实践证明,地铁以其快速、高效、清洁的特点,在世界上大多数经济发达地区大城市的客运交通中发挥着不可替代的作用,比如东京、莫斯科、伦敦等[1]。近年来,我国的地铁建设也得到了迅猛的发展。以北京为例,目前地铁线路总长114km(包括地面轨道线路),按照《北京奥运行动规划》,到2008年运营里程将达到202km,长远规划总里程超过600km。另外,上海、广州、深圳、南京、杭州、沈阳等大城市也正在或者即将建设地铁或轻轨。可以说,我国已经进入了地铁工程建设的黄金时代。 地铁工程是生命线工程的重要组成部分,其抗震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要组成部分。美国、日本等国家都曾经对地铁等地下结构的抗震设计理论进行了研究,提出了一些实用的抗震设计方法[2-5]。但我国在这一领域的研究相对滞后[5-6]。迄今为止,我国还没有独立的地下结构抗震设计规范,GB50157 92《地下铁道设计规范》和GB50157 2003《地铁设计规范》对地铁的抗震设计都只给出了极为笼统的规定,其原因主要是研究工作开展不够,对地下结构抗震设计方法缺乏系统研究。长期以来,地铁结构的抗震设计基本是参照GBJ111 87《铁路工程抗震设计规范》中有关隧道部分的条文和GB50011 2001《建筑抗震设计规范》,采用地震系数法进行的。地震系数法用于地下结构抗震计算时具有明显的缺陷,比如按照地震系数法,作用在地下结构的水平惯性力随埋深的增加而增加,这与实际情况明显不符。出现这一局面的原因与人们对地下结构震害的认识不无关系。客观地讲,地下结构由于受到地层的约束,加之城市隧道大多采用抗震性能较好的整体现浇钢筋混凝土结构及能够适应地层变形的装配式圆形结构,震害明显低于地上结构[6]。高烈度地震区内的城市地铁大规模建设是在近20多年才出现的,大多数还没有经过大地震的检验,因此灾难性的震害记录不多,于是人们普遍认为地下结构在地震作用下所受破坏程度远比地上结构轻。但在1995年日本阪神大地震中,神户市地铁车站及区间隧道遭到严重破坏的事实给这种传统观念带来了巨大的冲击,引起了众多地震工作者的极大重视[7-9]。阪神地震清楚地表明,在地层可能发生较大变形和位移的部位,地铁等地下结构可能会出现严重的震害,因此对其抗震问题应给予高度重视。 目前研究地下结构抗震性能的主要途径有:原型观测、模型试验和数值模拟。由于问题的极其复杂性,目前还没有哪一种手段能够完全实现对地下结构动力反应进行全面而真实的解释和模拟。一般是通过原型观测和模型试验结果来部分的或定性的再现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果,在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型,发展相应的数值分析方法;再通过模型试验和原型观测结果加以验证。然后对不同抗震设计方案进行计算分析,尽可能地再现和模拟其实际动力反应,研究其抗震性能,提出相应的抗震对策。这是研究和评价地下结构抗震性能的较为合理的有效途径。 阪神地震后,我国对地铁等地下结构的抗震问题进行了一系列的研究[10-23],但仍然缺少实质性进展。为改变目前我国在这一研究领域中的落后局面,需要在理论分析、数值模拟和模型试验等方面开展更为深入的工作,系统地研究地铁车站及区间隧道等的地震反应,以图在抗震分析及设计方法与理论基础方面有实质性的突破。目前我国地铁抗震分析及设计中存在诸多问题尚待深入研究,其中目前迫切需要解决的关键问题主要体现在以下5个方面。1土-结构动力相互作用分析模型 强地震作用下,地下结构与地基介质可能呈现明显的非线性、弹塑性状态,地下结构与地基之间的接触面还可能出现局部滑移、脱离等非连续变形现象,除此之外,地铁地下结构-地基动力相互作用分析模型还应该合理考虑地基半无限性的影响。因此,一个合理的地下结构分析模型既要考虑对半无限地基的模拟,还必须全面考虑4种非线性因素:结构材料非线性、结构-地基动态接触非线性、近场地基非线性与远场地基非线性。目前对包括钢筋混凝土等在内的结构材料非线性性质的研究相对成熟;结构-地基动态接触非线性的研究也已经取得较大进展[24-25];针对地基半无限性及远场地基特性的模拟问题已经发展了多种动力人工边界[26-29];关于土的非线性问题(尤其是动力非线性问题)的研究更是发展出几十种动力非线性本构模型[30],目前虽然没有任何一个模型具有广泛的适用性,但针对具体的问题也不乏有合理而实用的选择。上述问题的研究已经取得了相当丰富的成果,但是如何根据这些研究成果构造合理的地铁地下结构地震反应分析模型还需要进行深入的研究和探讨。 对地铁车站及区间隧道等地下结构来说,周围地基特性对结构地震反应及破坏特征的影响显著。在地震反应过程中,周围地基尤其是上覆土层的重力效应对结构地震反应会产生不容忽视的影响。如何合理地反映地基的静力效应及地基半无限性的影响是一个比较重要的问题。这一问题的解决涉及到动力人工边界及静力人工边界的合理确定和设置。由于目前已有的动力人工边界一般不适用于地下结构-地基系统的静力分析,因而普遍的解决办法是针对静力问题和动力问题采用不同的人工边界。对于静力问题,采用固定人工边界或其他静力边界(边界元或无穷元),而动力问题则采用动力人工边界,这导致形成了两个不同的分析模型。针对不同模型,首先分析静力问题,然后基于静力分析结果进行动力分析,最后将两种分析结果进行组合。这种做法不仅麻烦,也不能很好地反映地下结构周围地基的重力效应对非线性结构地震反应的影响。因而有必要发展一种对静力分析和动力分析均能适用的静-动力统一人工边界,并提出直接在静-动力统一人工边界上实现地震波场的输入方法。基于静-动力统一人工边界建立一个可考虑上覆土层的重力效应、实现强地震动有效输入、合理反映结构材料非线性、结构-地基动接触非线性、近场地基非线性与远场地基非线性等影响因素的理论分析模型是完善地下结构静力分析及地震反应分析的合理途径。2土-结构动力相互作用分析的快速高效算法 求解土-结构动力相互作用问题的方法可以分为解析法、半解析法和数值法等[2,31]。由于地下结构的复杂性,解析法和半解析法的使用受到限制,而数值方法的使用最为广泛。在众多数值方法中,有限元法由于具有灵活方便、适应性强的优点,得到了广泛的应用。当采用有限元法结合人工边界对强地震作用下的土-结构开放系统进行整体分析时,由于系统非线性的影响,必需采用时域逐步积分算法完成计算,当所研究问题的尺度大、力学模型的自由度多时,其分析计算工作量巨大。地铁地下结构构造复杂,往往又处在一个复杂的地震动场中,虽然目前由于分析手段的限制或出于简单满足工程设计目的考虑,常常采用切片的二维计算模型进行抗震分析,但为更深入研究和了解地铁地下结构的地震反应规律、分析不同地震动场的综合影响,采用地铁地下结构三维整体模型进行研究还是必需的。 有限元离散模型中单元尺寸的大小与地震波及传播介质的性质有关。对于位于土中,特别是软土中的地下结构进行地震反应分析时,为对土中地震波的传播有足够的模拟精度,往往需要采用尺寸足够小的单元,导致离散模型单元数目很多。地铁地下车站的长度一般超过100m,甚至达200m,因而地铁车站-地基系统计算分析模型尺度很大,尤其是需要同时研究地铁车站与区间隧道连接处等震害易发生部位的地震反应及破坏规律时,计算模型的尺度将更大。在强地震作用下,地铁地下结构-地基系统的非线性动力行为不可避免。虽然通过引入人工边界可以选取相对较小的计算区域,但是三维非线性动力分析模型(模型尺寸取决于地下结构的尺寸)的采用仍然决定了巨大的计算工作量。因而进一步发展快速高效的计算方法以更有效地降低计算工作量,成为地铁地下结构-地基系统非线性动力相互作用分析模型的推广应用所需要解决的关键问题之一。3地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能的评估方法 动力时程分析方法作为一种可靠的分析手段适用于深入研究地铁等地下结构抗震理论,而对于评估地下结构承载力极限状态和进行常规的地铁地下工程抗震设计,还需要发展简便和实用的分析方法。借鉴目前建筑结构的抗震设计方法,发展新的评估地铁地下结构地震破坏模式及抗震性能的方法是很有意义的。我国GB50011 2001《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需要进行大震作用下结构的弹塑性变形验算,对于地铁地下结构尤其是地铁车站结构来说,大震作用下的弹塑性变形验算无疑也是必要的。目前常用的弹塑性分析方法包括静力增量分析法、动力时程分析法和静力弹塑性分析方法(Push-over方法)。静力增量分析法相对简单,但没有考虑到地震作用与结构自振特性之间的密切关系。动力时程分析法由于能够计算地震反应过程中各时刻结构的内力和变形状态,给出结构开裂和屈服的顺序,发现应力和塑性变形集中的部位,从而可以判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型,结果也较为准确,但其计算工作量大,计算结果受地震波选取的影响,用于常规的抗震设计还有一定的困难。相对上述两种方法来说,Push-over分析方法是一种新的结构抗震分析方法,这种方法既比较简单,又可以比较准确地评估地震作用下结构的反应情况,因而得到了广泛的研究和应用[32-35]。由于地下结构与地上结构地震反应规律和特点并不完全相同,因此到目前为止,适用于建筑结构抗震分析的Push-over方法还无法应用于地铁车站等地下结构的抗震设计。另外,由于受到周围地基约束,地下结构的变形形式不同于地上结构。相对地上结构来说,地下结构在整体发生较小变形时局部的内力可能会很大,因此也不能简单地套用地上结构变形的极限值推算地下结构在中震或大震作用下的极限状态,必须进行深入的理论分析和试验研究,了解地铁车站等地下结构的内力-变形规律及破坏模式,并在此基础上提出地铁地下结构抗震性能定量化评价指标体系。因此需要发展一种能够适应于地铁地下结构的Push-over分析方法,考虑地下结构受周围地基约束的特点,提出地下结构基于位移的抗震分析及设计方法,以突破现有承载力设计方法的限制,从而使地铁车站等地下结构的抗震设计更为合理和简便。4地铁地下结构的抗震构造措施[36] 目前我国对地铁车站及区间隧道等地下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下结构由于受到地层的约束,地震时构件不大可能出现交变内力,无须特别考虑抗震构造措施;当地下结构与地面建、构筑物合建时,才需按地面结构的抗震要求考虑构造措施。另一种观点认为基本可以照搬地面民用建筑结构的要求,例如,抗震设防烈度7度的城市,即按8度采取相应构造措施,并将抗震等级提高一级。比较看来,这两种观点都有一定的片面性,前者完全忽视了地震对单建地下结构可能造成的破坏;后者又完全把地下结构等同于地上结构。实际上应该区别不同的围岩条件和施工方法,根据地下结构在地震作用下的受力和破坏特点有针对性地采取抗震措施。抗震构造措施是提高罕遇地震时结构整体抗震能力、保证其实现预期设防目标、延迟结构破坏的重要手段,它可以充分发掘结构的潜力,在一定条件下,比单纯依靠提高设防标准来增强抗震能力更为经济合理。这方面工作的重点应放在改善薄弱部件的受力和提高结构构件的延性及耗能能力上。有关地铁工程抗震构造方面存在的其他问题还很多,如抗震缝的设置原则和方法,后砌的内部承重结构和非承重隔墙的抗震构造要求等。5地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施 目前GB50011 2001《建筑抗震设计规范》规定,建筑物选址应避开地震活断层,以防止地震时断层运动而引起的破坏。对于地上单建的建筑结构,这一方法是可行的。地铁地下车站作为地铁系统中的关键枢纽,也可以通过合理的选址方案,避开地震活断层。但是地铁线路走向基本上取决于交通功能的要求,因此地铁区间隧道穿越地震断层有时是不可避免的。目前对埋地管线等小断面地下管道跨越断层时的抗震设计方法已经有所研究[17,37-39],但是地铁隧道无论是在结构尺寸上还是在结构构造和材料性质上与小断面地下管线均有所不同,目前对诸如地铁区间隧道等大断面隧道跨越地震断层的抗震问题还缺乏研究,虽然很多地铁隧道在跨越地震活断层时不得不采取特殊的设计方案和工程措施,但还缺乏针对这些设计方案和工程措施的系统理论分析。 我国在十五期间将投资27亿元人民币建设 中国数字地震观测网络 [40],地震活断层探测系统是其中重要的组成部分。这表明目前我国对大城市地震断层问题已经给予了足够重视,很多重要城市已经针对地下断层开始了勘探和研究工作,其中对地震活断层可能引发的地震及可能造成的破坏是重点考虑和研究的对象。随着对北京等重大城市地下地震断层勘探工作的开展和对地震断层活动性的掌握,针对地铁区间隧道等地下隧道跨越地震活断层时的抗震设计及工程措施将是抗震工作者和工程设计人员不得不面对和需要解决的实际问题。6结语 地铁地下结构是重要的生命线工程,造价高,使用周期长,一旦发生破坏,修复困难,直接和间接经济损失巨大。目前我国地铁建设已经进入高潮,其中很多地铁工程建设在高烈度地区,同时我国缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和有效的抗震构造措施,因而开展深入系统的理论分析、试验研究及数值模拟,发展合理而可靠的地下结构抗震设计理论和方法,完善地下结构抗震构造措施,确定优良的地下结构抗震体系,均具有重要的科学意义同时具有重要的工程应用价值。参考文献[1]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997[2]HashashYMA,HookJJ,SchmidtB,etal.Seismicdesignandanalysisofundergroundstructures[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2001,16(4):247-293[3]St.JohnCM,ZahrahTF.Aseismicdesignofundergroundstruc-tures[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,1987,2(2):165-197[4]于翔,陈启亮,等.地下结构抗震研究方法及现状[J].解放军理工大学学报,2000,1(5):63-69[5]周健,苏燕,童鹏.软土地层地铁及地下构筑物抗震动力分析研究现状[J].地下空间,2003,23(2):173-178[6]GB50157 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