提高地铁车站结构抗震能力的理论及数值研究

孙长成

摘要：以某地铁站为例，利用有限元理论，应用Midas-Gen软件，对地铁车站的抗震性能及地震反应特性进行分析。得出以下结论：地铁车站圆尖角处弯矩大于圆拱处，二次衬砌与喷射混凝土轴力、弯矩情况大致相同，锚杆内力较大值出现在拱部拱脚处；结构的自振周期随二次衬砌的增加而减小，位移变化则增大，车站结构体系的自振周期随车站的埋深增加而增大，体系位移变化减小。提出相应的改善措施。

关键词：地铁站；抗震性能；地震反应特性

随着我国经济的飞速发展，人们对出行效率的要求越来高，地铁以其运量大。效率高而倍受各地交通部门的青睐。因地铁最先应用于西方欧美国家，这些国家受震害相对较少，所以对地铁抗震性能及地震反应特性研究很不充分。1995年的阪神地震中，地铁车站，尤其是大开车站，混凝土开裂，钢筋屈服，顶板沉降严重，造成严重财产损失及交通瘫痪，更是给我们敲响了一个警钟。众多的震害教训表明：当遭遇强烈地震时，车站周围土体变形很大，地下车站薄弱部位发生破坏，进而影响整个结构的稳定性。我国地处欧亚大陆及环太平洋地震带，受地震影响较为严重，因此研究地铁站的抗震性能及特性，提高其抗震能力，显得尤为重要。

1地下结构-岩土动力反应

在地下结构中，地铁车站结构与周围土体连成一个整体，从震源出发的地震波，通过周围土体传给地下车站而引发其震动，这时由车站结构引发的惯性力如同形成一个新震源作用在场地土上，新的震动由此形成并反过来作用于地下结构体系。两个方面组成了地下结构-岩土的相互作用体系：（1）运动相互作用，即相互作用的约束地震动；（2）惯性力引发的相互作用。

在遭遇地震作用的地下结构变形与恢复力关系很难把握，我们通常将非线性的关系代之以分段线性化，受震动影响的结构质量的变化一般较小，通常视之为常量。随地震变化的阻尼亦视之为常量。

2地铁车站结构抗震反应数值模拟

2.1现有地铁结构分析

早在上世纪中期，地下结构的地震作用的计算方式为静力法计算，在十年后当美国旧金山地区修建了地铁快速输送系统之后，传统静力法计算被替换为了BART方式，这种计算法则提出了地下结构的延性（在吸收强变形之后产生的延性）并不会失去承受静载的功能，而非对惯性力的抵抗。但这种思想也很快被70年代日本相关研究者提出的地基抗力法、应变传递法以及反映位移法所取代。在上世纪80年代之后，相关研究基本上已经广泛使用了计算机技术并将其作为了研究的中坚力量；在此阶段，地下结构数值法出现并在短时间内迅速发展，包含了混合法、子结构法、有限元法以及抗震分析法等，具体情况如下：

地下结构的抗震方法研究主要可以分为解析方法以及数值方法两种，具体而言：解析方法包含了静力法、BART法、反应位移法、应变传递法以及福季耶娃法；数值方法包含了子结构法、有限元法以及混合法。

2.2一致地震动输入

现如今对地铁车站结构在地震方面的研究大多是建立在一致地震动输入基础之上的。部分研究者利用了土壤与车站结构之间起到的作用相互性复反应区对FLUSH程序进行分析，从而得出盾构隧道以及地铁地下车站的地震反应。经过研究发现，影响地震反应的参数主要有以下几种：

2.2.1对于地铁区域的地下车站而言，其结构动力反应主要是依靠了由于地震作用造成的地基变形状态，在变型反应峰值方面以及场地自由场的变形峰值之间的反应也已算作是存在一种线性关系。虽然相对于地上结构而言，地铁车站地震变型反应相对偏小，但其能够产生的内力反应仍旧处于较大程度。

2.2.2相对于将位移因素看作是地铁地下结构震动参数设计而言，将地面与基岩之间的水平峰值设定为地震动参数将更为合理，尤其是在地震加速度的设计方面。部分研究者采用了名为MSC.Marc这种有限元程序联合THUFIBER这种纤维模型程序（适用于钢筋混凝土）已经实现了对水平地震反应的实际操作分析，我国北京地铁五号线中拱形单层三跨岛式车站（崇文门站）便是利用了这一设计方法。

2.2.3对于地铁隧道盾构结构而言，其衬砌材料在结构弹性模量方面对于地震反应的变化程度并不强烈。另外，衬砌的厚度状态对于地震变型反应所产生的影响程度同样不大，但在内力反应方面会受到相对较大的影响。并且当盾构隧道处于并行状态时，地震反应会随着隧道间距的变化而变化，研究发现隧道之间的间距越大，受到的地震内力反应便会越小，两者呈现出负相关性。

上述参数研究结果说明，相对于矩形断面结构而言，拱形断面结构能够有效降低并缓解拱形顶板出现的弯矩；但由于轴力的提升，相对于车站中柱下端而言，上端会承受到的轴力弯矩上会更大，但在轴力方面相差并不大。在采用Rayleigh波进行输入时，首先应了解其作用下地铁车站地下架构动力反应特性。这种情况应尤其注意埋深会对其产生的影响。相关研究发现，在地铁车站埋深比临界埋深大、也就是说超过了临界埋深时，其埋深越深，结构动力反应便越小；在实际埋深与临界埋深越接近时（尚未超出临界埋深），其结构动力反应会受到Rayleigh波波形影响。

2.3非一致地震动输入

现如今在地震动空间变异性的研究方面多数处于地面状态，例如大跨度空间、大跨度桥梁、水电站大坝等。但地铁属于地下空间，地铁车站结构同样需要考虑到地下结构状态。目前相关研究在多点极力地震波输入方面已经形成了阶段性成果，在地下结构研究上因为存在于地基接触产生的连续性，因此地震动空间变异还应该性纵向非一致连续波动输入来思考。实际测量研究发现，地震动非一致输入会在地下结构延伸长度处于100米以上时产生影响力。

在非一致地震波输入中，除了需要考虑建立一个人工边界（需要与波动输入相应）之外，还应该注意地震波的非一致输入性，其中对其产生较大影响的应该算是地震波产生的斜入射。研究者研究发现，在二维或是三维的均匀介质方面，已经实现了SV波与P波的斜入射输入。部分研究者将这类斜入射输入一维化时域，在推导时没有将介质阻尼因素考虑在内。但这类对实际操作中会对土层产生不良影响的因素本不该被忽略，因此应进一步深入思考介质阻尼的影响。另外，还应在此阶段注意相干效应影响以及综合局部场地效应的非一致性输入。

3结语

在地铁车站结构抗震能力的研究方面，理应从多角度考虑，在强震荷作用下，地铁车站中柱端部若能够设置合理，便可以达到减小地震状态下结构出现的变性损伤，尤其是地铁车站的柱子，并防止由于地震出现较大的损伤性破坏，从而提升地铁车站抗震能力。

参考文献

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