設(shè)備監(jiān)理：地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1、設(shè)備監(jiān)理：地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題     摘要：針對(duì)我國(guó)尚缺少完善的地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法和專門的地鐵結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀，在分析目前我國(guó)地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震研究及設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了需要迫切解決的五個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：合理的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型，高效的地下結(jié)構(gòu)地基系統(tǒng)動(dòng)力相互作用問(wèn)題分析方法，合理而實(shí)用的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式和抗震性能評(píng)估方法，地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施，地鐵區(qū)間隧道穿越地震斷層的設(shè)計(jì)方案及工程措施。這些問(wèn)題的研究和解決將為地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程的制定奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：地鐵；地下結(jié)構(gòu)；土結(jié)

2、構(gòu)動(dòng)力相互作用；地震反應(yīng)；抗震設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運(yùn)量快速公共交通系統(tǒng)是解決問(wèn)題的重要途徑1實(shí)踐證明，地鐵以其快速、高效、清潔的特點(diǎn)，在世界上大多數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大城市的客運(yùn)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(lái)，我國(guó)的地鐵建設(shè)也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例，目前地鐵線路總長(zhǎng)114km（包括地面軌道線路），按照北京奧運(yùn)行動(dòng)規(guī)劃，到2008年運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到202km，長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃總里程超過(guò)600km另外，上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽(yáng)等大城市也正在或者即將建設(shè)地

3、鐵或輕軌。可以說(shuō)，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了地鐵工程建設(shè)的黃金時(shí)代。地鐵工程是生命線工程的重要組成部分，其抗震問(wèn)題已經(jīng)成為城市工程抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究的重要組成部分。美國(guó)、日本等國(guó)家都曾經(jīng)對(duì)地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究，提出了一些實(shí)用的抗震設(shè)計(jì)方法25但我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究相對(duì)滯后56迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有獨(dú)立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB5015792地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范和GB501572003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)地鐵的抗震設(shè)計(jì)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(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法缺乏系統(tǒng)研究。長(zhǎng)期以來(lái)，地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)基本是參照GBJ11187鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)隧道部分的條

4、文和GB500112001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，采用地震系數(shù)法進(jìn)行的。地震系數(shù)法用于地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí)具有明顯的缺陷，比如按照地震系數(shù)法，作用在地下結(jié)構(gòu)的水平慣性力隨埋深的增加而增加，這與實(shí)際情況明顯不符。出現(xiàn)這一局面的原因與人們對(duì)地下結(jié)構(gòu)震害的認(rèn)識(shí)不無(wú)關(guān)系?？陀^地講，地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及能夠適應(yīng)地層變形的裝配式圓形結(jié)構(gòu)，震害明顯低于地上結(jié)構(gòu)6高烈度地震區(qū)內(nèi)的城市地鐵大規(guī)模建設(shè)是在近20多年才出現(xiàn)的，大多數(shù)還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大地震的檢驗(yàn)，因此災(zāi)難性的震害記錄不多，于是人們普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下所受破壞程度遠(yuǎn)比地上結(jié)構(gòu)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(yán)重破壞的事實(shí)給這種傳統(tǒng)觀念帶來(lái)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(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的震害，因此對(duì)其抗震問(wèn)題應(yīng)給予高度重視。目前研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的主要途徑有：原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。由于問(wèn)題的極其復(fù)雜性，目前還沒(méi)有哪一種手段能夠完全實(shí)現(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行全面而真實(shí)的解釋和模擬。一般是通過(guò)原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)部分的或定性的再現(xiàn)實(shí)際現(xiàn)象、解釋物理機(jī)制、推斷變化過(guò)程、總結(jié)特性規(guī)律和分析災(zāi)變后果，在此基礎(chǔ)上建立合理的能夠反映實(shí)際動(dòng)力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型，

6、發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值分析方法；再通過(guò)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)結(jié)果加以驗(yàn)證。然后對(duì)不同抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，盡可能地再現(xiàn)和模擬其實(shí)際動(dòng)力反應(yīng)，研究其抗震性能，提出相應(yīng)的抗震對(duì)策。這是研究和評(píng)價(jià)地下結(jié)構(gòu)抗震性能的較為合理的有效途徑。阪神地震后，我國(guó)對(duì)地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究1023，但仍然缺少實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。為改變目前我國(guó)在這一研究領(lǐng)域中的落后局面，需要在理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)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(yīng)，以圖在抗震分析及設(shè)計(jì)方法與理論基礎(chǔ)方面有實(shí)質(zhì)性的突破。目前我國(guó)地鐵抗震分析及設(shè)計(jì)中存在諸多問(wèn)題尚待深入研究，其中目前迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要體

7、現(xiàn)在以下5個(gè)方面。1土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析模型強(qiáng)地震作用下，地下結(jié)構(gòu)與地基介質(zhì)可能呈現(xiàn)明顯的非線性、彈塑性狀態(tài)，地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)地基動(dòng)力相互作用分析模型還應(yīng)該合理考慮地基半無(wú)限性的影響。因此，一個(gè)合理的地下結(jié)構(gòu)分析模型既要考慮對(duì)半無(wú)限地基的模擬，還必須全面考慮4種非線性因素：結(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)地基動(dòng)態(tài)接觸非線性、近場(chǎng)地基非線性與遠(yuǎn)場(chǎng)地基非線性。目前對(duì)包括鋼筋混凝土等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料非線性性質(zhì)的研究相對(duì)成熟；結(jié)構(gòu)地基動(dòng)態(tài)接觸非線性的研究也已經(jīng)取得較大進(jìn)展2425；針對(duì)地基半無(wú)限性及遠(yuǎn)場(chǎng)地基特性的模擬問(wèn)題已經(jīng)發(fā)展了多種動(dòng)力人

8、工邊界2629；關(guān)于土的非線性問(wèn)題（尤其是動(dòng)力非線性問(wèn)題）的研究更是發(fā)展出幾十種動(dòng)力非線性本構(gòu)模型30，目前雖然沒(méi)有任何一個(gè)模型具有廣泛的適用性，但針對(duì)具體的問(wèn)題也不乏有合理而實(shí)用的選擇。上述問(wèn)題的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)豐富的成果，但是如何根據(jù)這些研究成果構(gòu)造合理的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析模型還需要進(jìn)行深入的研究和探討。對(duì)地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，周圍地基特性對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震反應(yīng)過(guò)程中，周圍地基尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)地震對(duì)地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，周圍地基特性對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震反應(yīng)過(guò)程中，周圍地基尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對(duì)結(jié)

9、構(gòu)地震反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不容忽視的影響。如何合理地反映地基的靜力效應(yīng)及地基半無(wú)限性的影響是一個(gè)比較重要的問(wèn)題。這一問(wèn)題的解決涉及到動(dòng)力人工邊界及靜力人工邊界的合理確定和設(shè)置。由于目前已有的動(dòng)力人工邊界一般不適用于地下結(jié)構(gòu)地基系統(tǒng)的靜力分析，因而普遍的解決辦法是針對(duì)靜力問(wèn)題和動(dòng)力問(wèn)題采用不同的人工邊界。對(duì)于靜力問(wèn)題，采用固定人工邊界或其他靜力邊界（邊界元或無(wú)窮元），而動(dòng)力問(wèn)題則采用動(dòng)力人工邊界，這導(dǎo)致形成了兩個(gè)不同的分析模型。針對(duì)不同模型，首先分析靜力問(wèn)題，然后基于靜力分析結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力分析，最后將兩種分析結(jié)果進(jìn)行組合。這種做法不僅麻煩，也不能很好地反映地下結(jié)構(gòu)周圍地基的重力效應(yīng)對(duì)非線性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

10、。因而有必要發(fā)展一種對(duì)靜力分析和動(dòng)力分析均能適用的靜動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界，并提出直接在靜動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界上實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)的輸入方法?；陟o動(dòng)力統(tǒng)一人工邊界建立一個(gè)可考慮上覆土層的重力效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)地震動(dòng)有效輸入、合理反映結(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)地基動(dòng)接觸非線性、近場(chǎng)地基非線性與遠(yuǎn)場(chǎng)地基非線性等影響因素的理論分析模型是完善地下結(jié)構(gòu)靜力分析及地震反應(yīng)分析的合理途徑。2土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析的快速高效算法求解土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問(wèn)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)

11、點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)采用有限元法結(jié)合人工邊界對(duì)強(qiáng)地震作用下的土結(jié)構(gòu)開放系統(tǒng)進(jìn)行整體分析時(shí)，由于系統(tǒng)非線性的影響，必需采用時(shí)域逐步積分算法完成計(jì)算，當(dāng)所研究問(wèn)題的尺度大、力學(xué)模型的自由度多時(shí)，其分析計(jì)算工作量巨大。地鐵地下結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，往往又處在一個(gè)復(fù)雜的地震動(dòng)場(chǎng)中，雖然目前由于分析手段的限制或出于簡(jiǎn)單滿足工程設(shè)計(jì)目的考慮，常常采用切片的二維計(jì)算模型進(jìn)行抗震分析，但為更深入研究和了解地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律、分析不同地震動(dòng)場(chǎng)的綜合影響，采用地鐵地下結(jié)構(gòu)三維整體模型進(jìn)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(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于位于土中，特別是軟土中的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，為對(duì)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(dǎo)致離散模型單元數(shù)目很多。地鐵地下車站的長(zhǎng)度一般超過(guò)100m，甚至達(dá)200m，因而地鐵車站地基系統(tǒng)計(jì)算分析模型尺度很大，尤其是需要同時(shí)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(yīng)及破壞規(guī)律時(shí)，計(jì)算模型的尺度將更