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地铁区间隧道震害特点、震害分析方法及减震措施的探讨
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内容提示：目前,我国地铁建设迅速发展,了解地铁区间隧道的抗震性能十分必要,本文将综合论述地铁区间的震害特点及减震措施,并简要阐述目前地铁区间隧道地震反应分析的方法,提出存在问题,以期更好地为地铁结构设计及抗震设防提供依据。
摘 要:目前,我国地铁建设迅速发展,了解地铁区间隧道的抗震性能十分必要,本文将综合论述地铁区间的震害特点及减震措施,并简要阐述目前地铁区间隧道地震反应分析的方法,提出存在问题,以期更好地为地铁结构设计及抗震设防提供依据。（参考《建筑中文网》）
关键词:地铁,地震,分析方法,减震
0 引 言
地下铁道是城市现代化交通工具,且是战时重要的人防工程,虽然地下工程结构有周围土体对变形位移的约束作用,使其在受震时所产生的振幅大为减少,受震害的程度较地面建筑为轻,但强震给地下结构带来的影响不容忽视,这一点已被1995年日本阪神大地震所证实,日本这次地震使得地铁区间隧道及地铁车站受到严重破坏,甚至出现地铁车站完全倒塌的先例,地铁结构一旦发生破坏由于其修复困难,往往造成严重的经济损失,所以加强研究地下结构的抗震性能,对地下结构地震反应分析方法及减震措施提出响应的建议十分必要,本文将针对这些问题进行初步探讨。
1 地铁区间隧道震害特点
地铁区间隧道属于线性结构,在地震荷载的作用下,由于周围介质的存在,其动态反应会呈现出与地面建筑不同的特性,主要表现为:
(1)地铁隧道的振动变形受周围介质的约束作用明显,受震害程度较轻,结构的动力反应一般不明显表现出自震特性,特别是低阶模态的影响。
(2)地震荷载的作用下,地铁区间隧道和其周围介质一起产生运动,当结构存在明显惯性或周围介质与结构间的刚度失配时,结构会产生过度变形而破坏。
(3)地铁区间隧道的震害多发生在地质条件有较大变化的区域,如土质由硬质到软质的过渡带,该地带地层间的相对位移较大直接导致结构发生破坏,相反如果地质条件均匀,即便震级较大,结构也较安全。
(4)地铁区间隧道如果穿过地质不良地带,如断层、沙土液化区等也易遭震害。
(5)结构断面形状及刚度发生明显变化的部位,如隧洞进出口,隧洞转弯部位及两洞相交部位均为抗震的薄弱环节。
(6)区间隧道的破坏形式主要是弯曲裂缝、竖向裂缝,及混凝土脱落,钢筋外露等。
2 地铁区间隧道地震反应分析方法
2.1地震反应分析方法
以上震害特点是通过实际的震害分析得出的,在进行地铁抗震设计时,十分有必要通过数值分析了解其具体的动力行为,如何对地铁区间隧道及其周围土体这一结构复合系统进行地震反应分析是很值得探讨的一个问题。通过网上检索该方面研究很少。若地下结构物的下方存在这一个实际基岩层,或在相当深处存在这一个假想的基岩层,则认为基岩面以上的介质及结构在地震力作用下,对于基岩层面发生相对运动,整个体系由于基岩面的运动而引起震动。由于地铁区间隧道沿纵向较长,分析其动力响应问题可简化为平面应变问题,首先进行体系离散,根据分析方法的不同,可将体系离散成两种计算网格,一种是使用八结点平面等参元对区间隧道结构及周围土体进行离散,如图1所示;第二种方法用八结点平面等参元与六结点单向无限元及四结点双向无限元耦合进行分析,计算网格如图2所示,左、右、下边界无限延伸,上边界为自由边界。根据达朗贝尔原理,建立体系的运动方程为
式中,[M]、[K]分别为体系的总体质量矩阵和总体刚度矩阵,由各单元的质量矩阵和刚度矩阵组合而成;体系的单元刚度矩阵为
[kij]e=[B]T[Dep][B]t△
式中t为单元厚度;△为单元面积;[B]为应变矩阵。[Dep]为弹塑性矩阵;体系的单元质量矩阵采用一致质量矩阵:
[mij]e=∫V[N]Tρ[N]dV
[C]为体系的总体阻尼矩阵,由Rayleigh线性组合法确定: [C]=α[M] β[K]
α、β为阻尼常数;可按两种不同的振动频率下测得的阻尼比加以确定。
其中 {Ix}=[0,1,0,1,…,0,1]T称为激振矢量, Ug¨(t)为离散的地震加速度值。以EICentro地震水平记录作为加速度输入。计算网格的左右边界采用竖向约束,下边界采用固定边界,上边界为自由边界。
地铁结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大,以前人们认为水平地震力是导致结构破坏的主要因素,研究表明竖向地震力对结构的破坏也不容忽视,所以分析中不应单独考虑一个方向的地震力,现在对竖向地震力的分析采用冲量法,但该法只能分析出竖向地震荷载作用下结构所受地震力与结构自重的比值,无法全面了解结构的动力行为,存在很大局限性,用有限元法能全面分析结构的位移、加速度、应力的变化。按(1)式竖向激振时Ug¨
{Iy}=[10,1,0,…,1,0]T,关于竖向加速度值的采用,一般酌情用水平值的0.25~0.5倍,若有地震竖向加速度记录,应用实际记录,EICentro竖向地震记录,如图3所示。有限元计算网格的左右边界采用水平约束,下边界固定,上边界自由,采用Newmark隐式时间积分法求解方程(1),即可得出水平及竖向地震荷载分别作用下任一结点的位移时程、加速度时程;单元内任一高斯点在某时刻的主应力大小。上述平面分析方法对了解地铁区间隧道任一断面的地震反应有很大作用[3,4]。分析地铁入口、隧道转弯等处的地震特性可采用空间有限元进行分析。分析网格如图4,笔者采用的以上分析方法有以下特点:
(1)考虑了材料的非线性;
(2)采用莫尔-库伦屈服准则并对超出屈服点的应力进行调整;
(3)在非线性问题的求解过程中采用初始刚度法和切线刚度法相结合的方法,并以初始刚度法为主;
(4)可以考虑水平及竖向地震力的作用。
2.2分析中值得注意的问题
无论用平面分析方法还是空间分析法均应注意以下问题:
(1)采用有限元进行分析时,分析范围应不小于结构尺寸的5倍,注意边界条件的选取;下边界最好取到基岩顶面;
(2)用无限元虽可以模拟边界条件,但其分析范围如何取,即在何处使有限元与无限元耦合,值得进一步探讨,一般认为要使有限元的分析范围能够包含体系塑性反应区;
(3)地下与地面结构的交界处、隧道转弯部位及两洞相交部位,由于受力状态复杂,而这些地方又是抗震的薄弱环节,应注意对这些关键部位进行数值分析;
(4)地铁结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大,分析中不应单独考虑一个方向的地震力,要考虑到水平及竖向地震力共同作用。以上分析只能得出竖向及水平地震力分别作用下的动力响应,如何考虑两者的共同作用值得进一步探讨。
3 减震措施
根据地铁区间隧道震害特点及动态反应分析结果,应从以下几个方面采取措施以减轻震害:
(1)地质方面:地铁选线时要考虑将之置均匀、稳定地层中,远离断层、风化带及液化区;
(2)结构方面:一般应采用对称结构,避免截面尺寸变化过大,结构中的结点应尽量用弹性结点,区间隧道转弯处交角不应过大,加强出口处的抗震设防;
(3)埋深:条件许可尽量增加隧洞的埋深,以减轻震害;
(4)抗震缝的设置:沿隧洞纵向隔一定距离设置抗震缝,以减轻变形的累加,减轻震害;
(5)施工方法;施工条件允许的情况下,尽量不采用明挖法施工,如采用该法施工必须注意回填土要密实,回填土的性质与地基土类型相似。
4 结束语
目前地铁建设日益发展,而地下结构的抗震研究又明显滞后于地面结构的抗震研究,文中综合论述地铁区间隧道的震害特点及减震措施,阐述了目前地铁地震反应分析方法:平面八结点有限元法、平面八结点有限元与六结点无限元及四结点无限元耦合法、空间20节点有限元法,相关分析结果可参考文献[3,4],并提出了分析中需进一步研究的问题,希望能起到抛砖引玉的作用,对地铁结构的抗震设计有所帮助。
参 考 文 献
1AnXuehuietal.ThecollapsemechanismofasubwaystationduringthegreatHANSHINearthquake.
Cementandconcrete,1997(17)
2Senzaisamataetal.Astudyofthedamadgeofasubwaystructuresduringthe1995HANSHIN_AWAJIearthquake.
Cementandcon-crete,1997(19)
3张玉娥.地铁区间隧道地震反应分析.振动、测试与诊断,2001年增刊
4张玉娥.引入无限元的地铁区间隧道地震反应分析.石家庄铁道学院学报,2001,14(3)
5张玉娥,白宝鸿.地铁列车振动对隧道结构激振荷载的模拟.振动与冲击,2000,19(3):68—70
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8929.htm
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