摘要:針對我國尚缺少完善的地鐵地下結構抗震分析方法和專門的地鐵結構抗震設計規範的現狀,在分析目前我國地鐵等地下結構抗震研究及設計方法的基礎上,重點闡述了需要迫切解決的五個關鍵問題:合理的地下結構動力分析模型,高效的地下結構-地基系統動力相互作用問題分析方法,合理而實用的地鐵地下結構**破壞模式和抗震效能評估方法,地鐵地下結構抗震構造措施,地鐵區間隧道穿越**斷層的設計方案及工程措施。
這些問題的研究和解決將為地鐵地下結構抗震設計規範或規程的制定奠定堅實的基礎。
關鍵詞:地鐵;地下結構;土-結構動力相互作用;**反應;抗震設計 引言
隨著城市化的發展,城市交通狀況及環境條件日趨惡化,交通的擁擠和效率低下成為各大城市的通病,人們逐漸認識到發展以地下鐵道為骨幹的大運量快速公共運輸系統是解決問題的重要途徑[1]。實踐證明,地鐵以其快速、高效、清潔的特點,在世界上大多數經濟發達地區大城市的客運交通中發揮著不可替代的作用,比如東京、莫斯科、倫敦等[1]。近年來,我國的地鐵建設也得到了迅猛的發展。
以北京為例,目前地鐵線路總長114km(包括地面軌道線路),按照《北京奧運行動規劃》,到2023年運營里程將達到202km,長遠規劃總里程超過600km。另外,上海、廣州、深圳、南京、杭州、瀋陽等大城市也正在或者即將建設地鐵或輕軌。可以說,我國已經進入了地鐵工程建設的**時代。
地鐵工程是生命線工程的重要組成部分,其抗震問題已經成為城市工程抗震和防災減災研究的重要組成部分。美國、日本等國家都曾經對地鐵等地下結構的抗震設計理論進行了研究,提出了一些實用的抗震設計方法[2-5]。但我國在這一領域的研究相對滯後[5-6]。
迄今為止,我國還沒有獨立的地下結構抗震設計規範,gb50157—92《地下鐵道設計規範》和gb50157—2003《地鐵設計規範》對地鐵的抗震設計都只給出了極為籠統的規定,其原因主要是研究工作開展不夠,對地下結構抗震設計方法缺乏系統研究。長期以來,地鐵結構的抗震設計基本是參照gbj111—87《鐵路工程抗震設計規範》中有關隧道部分的條文和gb50011—2001《建築抗震設計規範》,採用**係數法進行的。**係數法用於地下結構抗震計算時具有明顯的缺陷,比如按照**係數法,作用在地下結構的水平慣性力隨埋深的增加而增加,這與實際情況明顯不符。
出現這一局面的原因與人們對地下結構震害的認識不無關係。客觀地講,地下結構由於受到地層的約束,加之城市隧道大多採用抗震效能較好的整體現澆鋼筋混凝土結構及能夠適應地層變形的裝配式圓形結構,震害明顯低於地上結構[6]。高烈度**區內的城市地鐵大規模建設是在近20多年才出現的,大多數還沒有經過大**的檢驗,因此災難性的震害記錄不多,於是人們普遍認為地下結構在**作用下所受破壞程度遠比地上結構輕。
但在2023年日本阪神大**中,神戶市地鐵車站及區間隧道遭到嚴重破壞的事實給這種傳統觀念帶來了巨大的衝擊,引起了眾多**工作者的極大重視[7-9]。阪神**清楚地表明,在地層可能發生較大變形和位移的部位,地鐵等地下結構可能會出現嚴重的震害,因此對其抗震問題應給予高度重視。
目前研究地下結構抗震效能的主要途徑有:原型觀測、模型試驗和數值模擬。由於問題的極其複雜性,目前還沒有哪一種手段能夠完全實現對地下結構動力反應進行全面而真實的解釋和模擬。
一般是通過原型觀測和模型試驗結果來部分的或定性的再現實際現象、解釋物理機制、推斷變化過程、總結特性規律和分析災變後果,在此基礎上建立合理的能夠反映實際動力相互作用規律的數理分析模型,發展相應的數值分析方法;再通過模型試驗和原型觀測結果加以驗證。然後對不同抗震設計方案進行計算分析,盡可能地再現和模擬其實際動力反應,研究其抗震效能,提出相應的抗震對策。這是研究和評價地下結構抗震效能的較為合理的有效途徑。
阪神**後,我國對地鐵等地下結構的抗震問題進行了一系列的研究[10-23],但仍然缺少實質性進展。為改變目前我國在這一研究領域中的落後局面,需要在理論分析、數值模擬和模型試驗等方面開展更為深入的工作,系統地研究地鐵車站及區間隧道等的**反應,以圖在抗震分析及設計方法與理論基礎方面有實質性的突破。目前我國地鐵抗震分析及設計中存在諸多問題尚待深入研究,其中目前迫切需要解決的關鍵問題主要體現在以下5個方面。
1土-結構動力相互作用分析模型
強**作用下,地下結構與地基介質可能呈現明顯的非線性、彈塑性狀態,地下結構與地基之間的接觸面還可能出現區域性滑移、脫離等非連續變形現象,除此之外,地鐵地下結構-地基動力相互作用分析模型還應該合理考慮地基半無限性的影響。因此,乙個合理的地下結構分析模型既要考慮對半無限地基的模擬,還必須全面考慮4種非線性因素:結構材料非線性、結構-地基動態接觸非線性、近場地基非線性與遠場地基非線性。
目前對包括鋼筋混凝土等在內的結構材料非線性性質的研究相對成熟;結構-地基動態接觸非線性的研究也已經取得較大進展[24-25];針對地基半無限性及遠場地基特性的模擬問題已經發展了多種動力人工邊界[26-29];關於土的非線性問題(尤其是動力非線性問題)的研究更是發展出幾十種動力非線性本構模型[30],目前雖然沒有任何乙個模型具有廣泛的適用性,但針對具體的問題也不乏有合理而實用的選擇。上述問題的研究已經取得了相當豐富的成果,但是如何根據這些研究成果構造合理的地鐵地下結構**反應分析模型還需要進行深入的研究和**。
對地鐵車站及區間隧道等地下結構來說,周圍地基特性對結構**反應及破壞特徵的影響顯著。在**反應過程中,周圍地基尤其是上覆土層的重力效應對結構**反應會產生不容忽視的影響。如何合理地反映地基的靜力效應及地基半無限性的影響是乙個比較重要的問題。
這一問題的解決涉及到動力人工邊界及靜力人工邊界的合理確定和設定。由於目前已有的動力人工邊界一般不適用於地下結構-地基系統的靜力分析,因而普遍的解決辦法是針對靜力問題和動力問題採用不同的人工邊界。對於靜力問題,採用固定人工邊界或其他靜力邊界(邊界元或無窮元),而動力問題則採用動力人工邊界,這導致形成了兩個不同的分析模型。
針對不同模型,首先分析靜力問題,然後基於靜力分析結果進行動力分析,最後將兩種分析結果進行組合。這種做法不僅麻煩,也不能很好地反映地下結構周圍地基的重力效應對非線性結構**反應的影響。因而有必要發展一種對靜力分析和動力分析均能適用的靜-動力統一人工邊界,並提出直接在靜-動力統一人工邊界上實現**波場的輸入方法。
基於靜-動力統一人工邊界建立乙個可考慮上覆土層的重力效應、實現強**動有效輸入、合理反映結構材料非線性、結構-地基動接觸非線性、。
2土-結構動力相互作用分析的快速高效演算法
求解土-結構動力相互作用問題的方法可以分為解析法、半解析法和數值法等[2,31]。由於地下結構的複雜性,解析法和半解析法的使用受到限制,而數值方法的使用最為廣泛。在眾多數值方法中,有限元法由於具有靈活方便、適應性強的優點,得到了廣泛的應用。
當採用有限元法結合人工邊界對強**作用下的土-結構開放系統進行整體分析時,由於系統非線性的影響,必需採用時域逐步積分演算法完成計算,當所研究問題的尺度大、力學模型的自由度多時,其分析計算工作量巨大。地鐵地下結構構造複雜,往往又處在乙個複雜的**動場中,雖然目前由於分析手段的限制或出於簡單滿足工程設計目的考慮,常常採用切片的二維計算模型進行抗震分析,但為更深入研究和了解地鐵地下結構的**反應規律、分析不同**動場的綜合影響,採用地鐵地下結構三維整體模型進行研究還是必需的。
有限元離散模型中單元尺寸的大小與**波及傳播介質的性質有關。對於位於土中,特別是軟土中的地下結構進行**反應分析時,為對土中**波的傳播有足夠的模擬精度,往往需要採用尺寸足夠小的單元,導致離散模型單元數目很多。地鐵地下車站的長度一般超過100m,甚至達200m,因而地鐵車站-地基系統計算分析模型尺度很大,尤其是需要同時研究地鐵車站與區間隧道連線處等震害易發生部位的**反應及破壞規律時,計算模型的尺度將更大。
在強**作用下,地鐵地下結構-地基系統的非線性動力行為不可避免。雖然通過引入人工邊界可以選取相對較小的計算區域,但是三維非線性動力分析模型(模型尺寸取決於地下結構的尺寸)的採用仍然決定了巨大的計算工作量。因而進一步發展快速高效的計算方法以更有效地降低計算工作量,成為地鐵地下結構-地基系統非線性動力相互作用分析模型的推廣應用所需要解決的關鍵問題之一。
3地鐵地下結構**破壞模式和抗震效能的評估方法
動力時程分析方法作為一種可靠的分析手段適用於深入研究地鐵等地下結構抗震理論,而對於評估地下結構承載力極限狀態和進行常規的地鐵地下工程抗震設計,還需要發展簡便和實用的分析方法。借鑑目前建築結構的抗震設計方法,發展新的評估地鐵地下結構**破壞模式及抗震效能的方法是很有意義的。我國gb50011—2001《建築抗震設計規範》規定建築抗震設計需要進行大震作用下結構的彈塑性變形驗算,對於地鐵地下結構尤其是地鐵車站結構來說,大震作用下的彈塑性變形驗算無疑也是必要的。
目前常用的彈塑性分析方法包括靜力增量分析法、動力時程分析法和靜力彈塑性分析方法(push-over方法)。靜力增量分析法相對簡單,但沒有考慮到**作用與結構自振特性之間的密切關係。動力時程分析法由於能夠計算**反應過程中各時刻結構的內力和變形狀態,給出結構開裂和屈服的順序,發現應力和塑性變形集中的部位,從而可以判明結構的屈服機制、薄弱環節及可能的破壞型別,結果也較為準確,但其計算工作量大,計算結果受**波選取的影響,用於常規的抗震設計還有一定的困難。
相對上述兩種方法來說,push-over分析方法是一種新的結構抗震分析方法,這種方法既比較簡單,又可以比較準確地評估**作用下結構的反應情況,因而得到了廣泛的研究和應用[32-35]。由於地下結構與地上結構**反應規律和特點並不完全相同,因此到目前為止,適用於建築結構抗震分析的push-over方法還無法應用於地鐵車站等地下結構的抗震設計。另外,由於受到周圍地基約束,地下結構的變形形式不同於地上結構。
相對地上結構來說,地下結構在整體發生較小變形時區域性的內力可能會很大,因此也不能簡單地套用地上結構變形的極限值推算地下結構在中震或大震作用下的極限狀態,必須進行深入的理論分析和試驗研究,了解地鐵車站等地下結構的內力-變形規律及破壞模式,並在此基礎上提出地鐵地下結構抗震效能定量化評價指標體系。因此需要發展一種能夠適應於地鐵地下結構的push-over分析方法,考慮地下結構受周圍地基約束的特點,提出地下結構基於位移的抗震分析及設計方法,以突破現有承載力設計方法的限制,從而使地鐵車站等地下結構的抗震設計更為合理和簡便。
4地鐵地下結構的抗震構造措施[36]
目前我國對地鐵車站及區間隧道等地下結構抗震設計中結構構件應採用的抗震構造措施還缺乏統一認識。一種觀點認為單建的地下結構由於受到地層的約束,**時構件不大可能出現交變內力,無須特別考慮抗震構造措施;當地下結構與地面建、構築物合建時,才需按地面結構的抗震要求考慮構造措施。另一種觀點認為基本可以照搬地面民用建築結構的要求,例如,抗震設防烈度7度的城市,即按8度採取相應構造措施,並將抗震等級提高一級。
比較看來,這兩種觀點都有一定的片面性,前者完全忽視了**對單建地下結構可能造成的破壞;後者又完全把地下結構等同於地上結構。實際上應該區別不同的圍岩條件和施工方法,根據地下結構在**作用下的受力和破壞特點有針對性地採取抗震措施。抗震構造措施是提高罕遇**時結構整體抗震能力、保證其實現預期設防目標、延遲結構破壞的重要手段,它可以充分發掘結構的潛力,在一定條件下,比單純依靠提高設防標準來增強抗震能力更為經濟合理。
這方面工作的重點應放在改善薄弱部件的受力和提高結構構件的延性及耗能能力上。有關地鐵工程抗震構造方面存在的其他問題還很多,如抗震縫的設定原則和方法,後砌的內部承重結構和非承重隔牆的抗震構造要求等。
5地鐵區間隧道穿越**斷層的設計方案及工程措施
目前gb50011—2001《建築抗震設計規範》規定,建築物選址應避開**活斷層,以防止**時斷層運動而引起的破壞。對於地上單建的建築結構,這一方法是可行的。地鐵地下車站作為地鐵系統中的關鍵樞紐,也可以通過合理的選址方案,避開**活斷層。
但是地鐵線路走向基本上取決於交通功能的要求,因此地鐵區間隧道穿越**斷層有時是不可避免的。目前對埋地管線等小斷面地下管道跨越斷層時的抗震設計方法已經有所研究[17,37-39],但是地鐵隧道無論是在結構尺寸上還是在結構構造和材料性質上與小斷面地下管線均有所不同,目前對諸如地鐵區間隧道等大斷面隧道跨越**斷層的抗震問題還缺乏研究,雖然很多地鐵隧道在跨越**活斷層時不得不採取特殊的設計方案和工程措施,但還缺乏針對這些設計方案和工程措施的系統理論分析。
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