摘要：随着全国地下轨道交通建设的快速发展，轨道交通结构抗震安全性显得愈发重要。在同一地震波作用下，地面结构的破坏程度远远大于地下结构；地下结构由于受到周围地基土层的约束作用，其反应一般表现不出明显的自振特性的影响；同时，结构动力反应表现出自振特性，但是这种影响非常微弱。鉴于此，本文主要分析地铁地下结构抗震分析与设计。
关键词：地铁地下结构；抗震；设计
随着现代城市的不断发展与人口的迅速增长，人类对生活空间的需求也不断扩大，地下结构的不断发展便是其真实写照。地铁车站、隧道、地下商场等如雨后春笋般应运而生。但是近年来，自然灾害频繁发生，尤其是地震对人类的生活造成极大困扰，许多地下结构因遭受地震作用而发生破坏。因此，在建设地下结构的同时，应对其抗震性能提出更高的要求。
目前，我国开始大力发展地下空间，尤其是地铁工程。通常情况下，地下结构具有良好的抗震性能，地震灾害相对较少。但是地下结构一旦遭受地震破坏，将会带来严重损失并且难以修复。人们普遍认为地下结构的抗震性能要好于地面结构，地下结构的地震响应和相应的抗震设计方法与地面结构有着很多的不同。经过几次大地震以后，地下结构的地震破坏也是十分严重的，造成的后果是灾难性的。在1995年阪神大地震中，造成了大量的地铁隧道破坏，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。2008年汶川发生的8.0级大地震导致了多条隧道的坍塌。因此，地铁地下结构的抗震分析是一个值得深究的重要课题。
1、土-结构动力相互作用分析模型
在较强烈的地震作用下，地下结构与地基之间可能存在一些非线性，塑性和不同基面，不同程度，不同部位的非常明显的滑移现象。另外，地铁是在地下部分结构和地基之间的相互作用。在分析模型时，应合理考虑基础的无限性，分别考虑材料非线性，动态接触非线性，近地基础非线性和距离基础非线性四种非线性因素和特征。目前，对钢筋混凝土等非线性结构材料的研究已经逐渐成熟，对结构和基础的动态接触非线性进行了广泛的研究工作，取得了一些进展。人工方法已被用于模拟基础的半无限和现场特征。从目前的研究阶段来看，模型没有普遍适用性，对于不同的具体问题应该是适当的选择。研究工作取得了很大的进展，取得了丰硕的成果。但如何将研究成果合理应用到地铁地下结构中，还需要进一步的研究和探讨。
在静力的情况下，可以应用静态边界线或其他静态边界线。动力学问题需要使用功率人造边界。该模型的静态分析方法不同，可以合理比较不同的分析方法，然后进行综合处理。但这种方式存在一些缺陷，即地下结构特征，重力效应以及非线性结构地震响应的影响都不能很好地反映出来。有必要开发一个对静力分析和动力分析具有良好适应性的人工边界，并且可以直接提出静态和动态系统的人工边界地震波场输入方法，完善地下静态分析的合理方法结构体。
2、对土－结构动力互相作用做的分析模型
土-地下结构相互作用法其主要理论依据为地下结构与岩土介质在地震作用下的位移波形相似，从而研究得出。在做横断面设计时，该方法将土和地下结构作为一个整体而建立模型，首先对自由场地在地震作用下进行分析，然后将自由场地的剪切变形乘以相互作用系数得到结构剪切变形，从而计算结构的内力等。这种方法一般用于地下结构重量远大于围岩重量或者地下结构与地面结构合建时。但是地震系数法的缺点是不能准确的反应地下结构地震特点，而且当结构埋深或土层模量改变时，该方法的计算结果不再准确。
反应位移法于上世纪70年代提出，该方法首先应用于纵断面抗震计算方法中，随后才逐渐应用于横截面法中。该方法考虑到下结构响应的特点，将地层在地震作用下产生的相对位移通过地基以静荷载的形式施加在地下结构上，从而计算求解结构的内力等。这种方法用静力的方法求解动力问题，简便有效容易计算，而且如果各项地震参数考虑周可以得出较好的结果。但反应位移法也有一定缺陷，首先其土体弹簧刚度值难确定，不论根据实验结果还是地震观测均难以准确推定，而不同弹簧刚度相对于结构的计算结果相差很大；其次该方法难以体现土体在地震时的相互作用，故不能真实反映地震时土体对结构的动力作用。
地下结构静力弹塑性分析根据地上结构的PUSHOVER分析方法而研究得出。该方法中需重点考虑水平荷载的分布形式，即对各土层和结构按照所处位置施加相应的水平加速度，考虑其水平惯性力，从而分析计算地下结构的地震响应。
3、土与结构动力作用高效算法
地震荷载计算采用等效静力法，车站水平地震力的具体计算为：
惯性力：F1=ηm1Ag/H，F2=ηm2Ag/B，Pi=ηmiAg。
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式中：η为水平地震作用修正系数，岩石地基取0.2，非岩石地基取值0.25；F1为侧墙自重惯性力；F2为顶板覆土自重（包括地面超载）惯性力；Pi为作用于各层板处惯性力；m1，m2为分别为侧墙、上覆土（等效）质量；mi为各层板（含本层梁及上、下各半层柱）自重（包括活载）；Ag为地震动峰值加速度；H，B为结构高度、宽度。
经计算：
F1=0.6kN/m，F2=4.0kN/m，P1=25.2kN，P2=18.4kN，P3=18.9kN，P4=29.4kN。
由于地震引起的主动侧向土压力增量计算：地震烈度为6度，β=2°30'，γ为计算点以上土的加权平均天然重度。顶板处φ=10°，γ=20；中板处φ=30°，γ=20；底板处φ=35°，γ=20。
取1m宽计算时各点主动侧向土压力增量如下。顶板处：Δei=2.4kN/m。中板处：Δei=4.9kN/m。
底板处：Δei=14.2kN/m。
根据地震条件下内力计算结果和地震条件下非内力条件下的内力比较数据，结果表明，抗震设防强度较低，在地震条件下截面和加固不受控制，由非地震条件控制。
4、地震破坏形式及设计对策
4.1、汶川大地震
2008年，四川汶川发生了8级地震。对汶川只有约70km的成都造成了一定的影响，部分房屋开裂。但主要结构已基本完成18个站点没有影响。这也证实了地震烈度不高，地铁站段和内力是由非地震条件决定的，地震条件不受控制。但是地震中的个别地点仍然存在裂缝。
4.2、某车站侧墙竖向裂缝
一站地下墙体有竖向裂缝，裂缝宽0.1〜0.5mm，长1.2〜5.0m，裂缝为渗水。这是因为成都地铁站较长，由于地质等原因造成车站纵向结构可能产生不同规模的应力和应变。因此，当台站地质情况复杂时，特别是地层薄弱，厚度不均时，应增加台站纵向结构配筋的配筋率。
4.3、阪神大地震
为了降低立柱对地铁车站的外观和使用功能的影响，地铁站立柱的截面一般较小。柱轴压比往往接近标准极限，并未采用民用建筑中强柱弱梁的原理。同时，在施工过程中，可能存在于梁柱节点区域，而没有浇筑混凝土的高强度水平。在地震过程中，柱体成为地震弱分量。地震对地铁站影响最大的是日本的阪神地震。阪神地震的震级为7.3级，震中距离神户23km，神户大开站严重受损。如果只进行静态计算，则应在静载计算的基础上适当放大柱节，减少柱首次失效的可能性，并加强箍筋的结构以提高安全储备的列。
总之，随着社会经济的发展和城市化进程的加速，地下结构的重要性日益凸显。人们对地下结构的研究已经做了大量的工作，但是地下结构抗震问题区别于地面结构，研究相对较少。目前，我国开始在一、二线城市大力修建地铁，而且许多地铁工程处于高烈度区，故更需要开展更加深入的理论分析和实验研究，完善现有地下结构抗震分析方法，提出优良的地下结构抗震体系。这对我国城市建设有着重要的工程价值。
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论文作者:吴雪峰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/31
标签：结构论文; 地下论文; 地铁论文; 方法论文; 惯性力论文; 静力论文; 内力论文; 《基层建设》2018年第18期论文;