地铁车站抗震设计探讨

【摘要】本文根据某地铁车站震害分析和地震作用机理的基础上，总结目前地铁车站结构的地震动力反应分析研究现状和需要解决的关键问题，对地铁车站抗震设计提出建议。

引言

1地铁车站震害实例分析

在阪神地震中，神户市地铁多数车站有震害现象发生，尤其是大开车站（Daikai Subway Station）和上泽车站（Kamisawa Station），破坏最为严重，混凝土中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、侧墙开裂等破坏现象随处可见。其他车站的中柱、顶板、楼板和侧墙部位也有破坏现象，但总体来说，破坏较为轻微。

该车站用明挖法于1964年建成，中间柱（400×1000?，?3.5m）约30根完全破坏，顶板下沉约3m，车站断面变成M形，中柱上端或下端混凝土剥落，钢筋屈曲。在线路方向及垂直方向上，轴向钢筋鼓出，箍筋也有许多破坏的，在侧墙的隅角部位也发生裂缝及变位但无显著破坏。

2 地铁车站震害机理分析

地铁车站震害形态的差异与地震强度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、车站结构与周围土体介质的相对刚度及施工方法、施工的难易程度等有密切关系。根据以往地下结构在地震时所表现的行为可知，地震的主要或次要效应均可使车站结构遭受破坏。该效应包括两个方面：第一种效应是土体失稳，指土体的变形、差异位移、震陷和液化。该类型的破坏多数发生在水文地质条件变化较大、断层破碎带、浅埋地段或车站结构刚度远大于周围土层刚度的土体介质中，是目前公认的主要破坏形式。第二种效应是地震惯性力，指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏。该类型的破坏多数发生在浅埋或明挖的车站结构，在这些地方地震惯性力的作用表现得比较明显。除此之外，浅埋车站结构的地震破坏比深埋车站结构发生的频度和程度都要高很多，因为在浅埋地段可能受到上述双重类型的破坏作用。

地震工程学院胡聿贤认为，对于地下结构，其抗震能力的重要问题在于土体的地震变形和结构对于这种变形的适应性。所以地铁车站抗震设计不但要求结构在静载和地震荷载作用下具有足够的强度，而且能最大程度的吸收地震产生的变形。所以，地铁结构的抗震设计原则应当考虑这种破坏作用，使设计的结构应有足够的韧性以吸收地震所产生的相位衍生应力和强制变位，同时又不损害其承受静载的能力。

3 地铁车站结构地震反应动力分析

强地震作用下，地下结构与周围土体质可能呈现明显的非线性、弹塑性状态，地下结构与土体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，因此，一个合理的地下结构动力分析模型必须全面考虑四种非线性因素：结构材料非线性、土-结构动态接触非线性、近场地土非线性与远场地土非线性，同时还应该合理考虑周围土体半无限性的影响。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，土-结构动态接触非线性的研究也已经取得了较大进展，针对土体半无限性及远场地土特性的模拟问题已经发展了多种动力人工边界，关于土的非线形问题（尤其是动力非线形问题）的研究更是发展出几十种动力非线形本构模型。目前虽然没有任何一个模型具有广泛的适用性，但针对具体问题也不乏有合理而实用的选择。

对地铁车站结构来说，周围土体特性对结构地震反应及破坏特征的影响显著。在地震作用过程中，周围土体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。如何合理的反映土体的静力效应及周围土体介质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。目前已有的动力人工边界一般不适用于土-结构动力相互作用分析，不能很好的反映地下结构周围土体的重力效应对非线形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、实现强地震作用有效输入、合理反映结构材料非线形、土-结构动接触非线形、近场地土非线形与远场地土非线形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动力分析的合理途径。

4、提高地铁车站抗震性能的措施：

4.1加大抗震研究投入情况

想要保证地铁车站抗震性能的不断提高，就必须加大对城市轨道交通抗震研究的投入。众所周知在抗震过程中会使用到大量的技术设备，以及较为系统的检测手段，要及时与当地的地震监测部门进行沟通，这样才能随时掌握安全情况，当有地震发生时才能够及时掌握第一手资料，改善具体问题和存在的漏洞，准确地对线路设施状况做出判断，保证运行安全，避免凭空假设而做出无根据的盲目行为。

4.2对不同地质结构进行分析

在进行施工过程中要明确区分地下结构，可以采取明挖整体框架结构、盾构法施工的装配式圆形结构、矿山法施工的复合式马蹄形结构和竖井结构等不同形式，要充分考虑到我国的一些特殊地区的土质问题，例如砂卵石地区、砂粉土地区、软粘土地区和岩体为主的山区等，要从真正意义上区分其不同结构形式以及特点，根据他们动力性能和破坏性征的不同，进行科学的研究得出切实可行的抗震实施方案。

4.3加强对地铁抗震能力的要求

暂时我国还没有具体抗震设计规范要求，所以现阶段的设计还不能完全满足人们对抗震的要求。虽然我国现阶段建筑物的抗震设计规范以及标准体系总体上还是可以的，但是为了满足对地铁车站防震性能的较高要求，应加强现阶段的地铁车站抗震性能的研究，要对重要结构适当的提高他们的抗震防裂度等要求。

综上所述：由以上内容可以得出，目前状况下提高地铁车站的抗震性能是我们当下所必须做的，所以要不断加强对现阶段地铁车站抗震性能不足的改善，找出震害原因并给出施工控制措施，具有一定的实际意义。希望能给同行一些参考