摘要:針對我國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)計規(guī)范的現(xiàn)狀,在分析目前我國地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震研究及設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,重點闡述了需要迫切解決的五個關(guān)鍵問題:合理的地下結(jié)構(gòu)動力分析模型,高效的地下結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)動力相互作用問題分析方法,合理而實用的地鐵地下結(jié)構(gòu)地震破壞模式和抗震性能評估方法,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)計方案及工程措施。這些問題的研究和解決將為地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范或規(guī)程的制定奠定堅實的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:地鐵;地下結(jié)構(gòu);土-結(jié)構(gòu)動力相互作用;地震反應(yīng);抗震設(shè)計
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,人們逐漸認識到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運量快速公共交通系統(tǒng)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(shù)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)大城市的客運交通中發(fā)揮著不可替代的作用,比如東京、莫斯科、倫敦等[1]。近年來,我國的地鐵建設(shè)也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例,目前地鐵線路總長114km(包括地面軌道線路),按照《北京奧運行動規(guī)劃》,到2008年運營里程將達到202km,長遠規(guī)劃總里程超過600km。另外,上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽等大城市也正在或者即將建設(shè)地鐵或輕軌?？梢哉f,我國已經(jīng)進入了地鐵工程建設(shè)的黃金時代。
地鐵工程是生命線工程的重要組成部分,其抗震問題已經(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、日本等國家都曾經(jīng)對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計理論進行了研究,提出了一些實用的抗震設(shè)計方法[2-5]。但我國在這一領(lǐng)域的研究相對滯后[5-6]。迄今為止,我國還沒有獨立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范,GB50157—92《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》和GB50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》對地鐵的抗震設(shè)計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,對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法缺乏系統(tǒng)研究。長期以來,地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計基本是參照GBJ111—87《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,采用地震系數(shù)法進行的。地震系數(shù)法用于地下結(jié)構(gòu)抗震計算時具有明顯的缺陷,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,這與實際情況明顯不符。出現(xiàn)這一局面的原因與人們對地下結(jié)構(gòu)震害的認識不無關(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)還沒有經(jīng)過大地震的檢驗,因此災(zāi)難性的震害記錄不多,于是人們普遍認為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下所受破壞程度遠比地上結(jié)構(gòu)輕。但在1995年日本阪神大地震中,神戶市地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴重破壞的事實給這種傳統(tǒng)觀念帶來了巨大的沖擊,引起了眾多地震工作者的極大重視[7-9]。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)可能會出現(xiàn)嚴重的震害,因此對其抗震問題應(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、模型試驗和數(shù)值模擬。由于問題的極其復(fù)雜性,目前還沒有哪一種手段能夠完全實現(xiàn)對地下結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)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(jié)果來部分的或定性的再現(xiàn)實際現(xiàn)象、解釋物理機制、推斷變化過程、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際動力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型,發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值分析方法;再通過模型試驗和原型觀測結(jié)果加以驗證。然后對不同抗震設(shè)計方案進行計算分析,盡可能地再現(xiàn)和模擬其實際動力反應(yīng),研究其抗震性能,提出相應(yīng)的抗震對策。這是研究和評價地下結(jié)構(gòu)抗震性能的較為合理的有效途徑。
阪神地震后,我國對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震問題進行了一系列的研究[10-23],但仍然缺少實質(zhì)性進展。為改變目前我國在這一研究領(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)計方法與理論基礎(chǔ)方面有實質(zhì)性的突破。目前我國地鐵抗震分析及設(shè)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(guān)鍵問題主要體現(xiàn)在以下5個方面。
1土-結(jié)構(gòu)動力相互作用分析模型
強地震作用下,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)-地基動力相互作用分析模型還應(yīng)該合理考慮地基半無限性的影響。因此,一個合理的地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)-地基動態(tài)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(nèi)的結(jié)構(gòu)材料非線性性質(zhì)的研究相對成熟;結(jié)構(gòu)-地基動態(tài)接觸非線性的研究也已經(jīng)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(jīng)發(fā)展了多種動力人工邊界[26-29];關(guān)于土的非線性問題(尤其是動力非線性問題)的研究更是發(fā)展出幾十種動力非線性本構(gòu)模型[30],目前雖然沒有任何一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(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)分析模型還需要進行深入的研究和探討。
對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)來說,周圍地基特性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震反應(yīng)過程中,周圍地基尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)來說,周圍地基特性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震反應(yīng)過程中,周圍地基尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)會產(chǎn)生不容忽視的影響。如何合理地反映地基的靜力效應(yīng)及地基半無限性的影響是一個比較重要的問題。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(shè)置。由于目前已有的動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靜力問題和動力問題采用不同的人工邊界。對于靜力問題,采用固定人工邊界或其他靜力邊界(邊界元或無窮元),而動力問題則采用動力人工邊界,這導(dǎo)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,然后基于靜力分析結(jié)果進行動力分析,最后將兩種分析結(jié)果進行組合。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)對非線性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。因而有必要發(fā)展一種對靜力分析和動力分析均能適用的靜-動力統(tǒng)一人工邊界,并提出直接在靜-動力統(tǒng)一人工邊界上實現(xiàn)地震波場的輸入方法。基于靜-動力統(tǒng)一人工邊界建立一個可考慮上覆土層的重力效應(yīng)、實現(xiàn)強地震動有效輸入、合理反映結(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)-地基動接觸非線性、近場地基非線性與遠場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。
關(guān)鍵詞:地鐵;地下結(jié)構(gòu);土-結(jié)構(gòu)動力相互作用;地震反應(yīng);抗震設(shè)計
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,人們逐漸認識到發(fā)展以地下鐵道為骨干的大運量快速公共交通系統(tǒng)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(shù)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)大城市的客運交通中發(fā)揮著不可替代的作用,比如東京、莫斯科、倫敦等[1]。近年來,我國的地鐵建設(shè)也得到了迅猛的發(fā)展。以北京為例,目前地鐵線路總長114km(包括地面軌道線路),按照《北京奧運行動規(guī)劃》,到2008年運營里程將達到202km,長遠規(guī)劃總里程超過600km。另外,上海、廣州、深圳、南京、杭州、沈陽等大城市也正在或者即將建設(shè)地鐵或輕軌?？梢哉f,我國已經(jīng)進入了地鐵工程建設(shè)的黃金時代。
地鐵工程是生命線工程的重要組成部分,其抗震問題已經(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、日本等國家都曾經(jīng)對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計理論進行了研究,提出了一些實用的抗震設(shè)計方法[2-5]。但我國在這一領(lǐng)域的研究相對滯后[5-6]。迄今為止,我國還沒有獨立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范,GB50157—92《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》和GB50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》對地鐵的抗震設(shè)計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,對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法缺乏系統(tǒng)研究。長期以來,地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計基本是參照GBJ111—87《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)隧道部分的條文和GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,采用地震系數(shù)法進行的。地震系數(shù)法用于地下結(jié)構(gòu)抗震計算時具有明顯的缺陷,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,這與實際情況明顯不符。出現(xiàn)這一局面的原因與人們對地下結(jié)構(gòu)震害的認識不無關(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)還沒有經(jīng)過大地震的檢驗,因此災(zāi)難性的震害記錄不多,于是人們普遍認為地下結(jié)構(gòu)在地震作用下所受破壞程度遠比地上結(jié)構(gòu)輕。但在1995年日本阪神大地震中,神戶市地鐵車站及區(qū)間隧道遭到嚴重破壞的事實給這種傳統(tǒng)觀念帶來了巨大的沖擊,引起了眾多地震工作者的極大重視[7-9]。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)可能會出現(xiàn)嚴重的震害,因此對其抗震問題應(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、模型試驗和數(shù)值模擬。由于問題的極其復(fù)雜性,目前還沒有哪一種手段能夠完全實現(xiàn)對地下結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)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(jié)果來部分的或定性的再現(xiàn)實際現(xiàn)象、解釋物理機制、推斷變化過程、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際動力相互作用規(guī)律的數(shù)理分析模型,發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值分析方法;再通過模型試驗和原型觀測結(jié)果加以驗證。然后對不同抗震設(shè)計方案進行計算分析,盡可能地再現(xiàn)和模擬其實際動力反應(yīng),研究其抗震性能,提出相應(yīng)的抗震對策。這是研究和評價地下結(jié)構(gòu)抗震性能的較為合理的有效途徑。
阪神地震后,我國對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震問題進行了一系列的研究[10-23],但仍然缺少實質(zhì)性進展。為改變目前我國在這一研究領(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)計方法與理論基礎(chǔ)方面有實質(zhì)性的突破。目前我國地鐵抗震分析及設(shè)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(guān)鍵問題主要體現(xiàn)在以下5個方面。
1土-結(jié)構(gòu)動力相互作用分析模型
強地震作用下,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)-地基動力相互作用分析模型還應(yīng)該合理考慮地基半無限性的影響。因此,一個合理的地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)-地基動態(tài)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(nèi)的結(jié)構(gòu)材料非線性性質(zhì)的研究相對成熟;結(jié)構(gòu)-地基動態(tài)接觸非線性的研究也已經(jīng)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(jīng)發(fā)展了多種動力人工邊界[26-29];關(guān)于土的非線性問題(尤其是動力非線性問題)的研究更是發(fā)展出幾十種動力非線性本構(gòu)模型[30],目前雖然沒有任何一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(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)分析模型還需要進行深入的研究和探討。
對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)來說,周圍地基特性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震反應(yīng)過程中,周圍地基尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震對地鐵車站及區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)來說,周圍地基特性對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及破壞特征的影響顯著。在地震反應(yīng)過程中,周圍地基尤其是上覆土層的重力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)會產(chǎn)生不容忽視的影響。如何合理地反映地基的靜力效應(yīng)及地基半無限性的影響是一個比較重要的問題。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(shè)置。由于目前已有的動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靜力問題和動力問題采用不同的人工邊界。對于靜力問題,采用固定人工邊界或其他靜力邊界(邊界元或無窮元),而動力問題則采用動力人工邊界,這導(dǎo)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,然后基于靜力分析結(jié)果進行動力分析,最后將兩種分析結(jié)果進行組合。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)對非線性結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。因而有必要發(fā)展一種對靜力分析和動力分析均能適用的靜-動力統(tǒng)一人工邊界,并提出直接在靜-動力統(tǒng)一人工邊界上實現(xiàn)地震波場的輸入方法。基于靜-動力統(tǒng)一人工邊界建立一個可考慮上覆土層的重力效應(yīng)、實現(xiàn)強地震動有效輸入、合理反映結(jié)構(gòu)材料非線性、結(jié)構(gòu)-地基動接觸非線性、近場地基非線性與遠場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。