地铁结构抗震研究中的若干问题

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1、地铁结构抗震研究中的若干问题摘　要:地铁是我国大城市解决交通拥挤问题的有效途经.我国是多震国家,但是对于地铁的抗震研究开展得还很不够.我国还没有制定地下结构的抗震规范,地铁结构抗震计算方法还沿用传统的静力理论,因而不能满足地下工程结构发展的需要.所以,开展对地下结构抗震的深入研究己迫在眉捷.对地铁结构抗震问题进行了综述,着重对于波动力学理论及复杂地下结构系统的动力抗震理论的现状进行了分析,并对未来需要解决的问题提出了建议.关键词:地铁抗震研究;波动力学法;复杂地下结构系统动力学法1地下结构抗震研究的必要性和意义　　地铁结构抗震研究中的若干问题摘　要:地铁是我国大城市解决

2、交通拥挤问题的有效途经.我国是多震国家,但是对于地铁的抗震研究开展得还很不够.我国还没有制定地下结构的抗震规范,地铁结构抗震计算方法还沿用传统的静力理论,因而不能满足地下工程结构发展的需要.所以,开展对地下结构抗震的深入研究己迫在眉捷.对地铁结构抗震问题进行了综述,着重对于波动力学理论及复杂地下结构系统的动力抗震理论的现状进行了分析,并对未来需要解决的问题提出了建议.关键词:地铁抗震研究;波动力学法;复杂地下结构系统动力学法1地下结构抗震研究的必要性和意义由于我国土地资源有限,我国已经开始大规模开发地下空间.作为地下结构的一种,地铁是大城市解决交通拥挤问题的必由之路,在

3、上个世纪末全世界已经有超过5500公里的地铁在运营[1].我国也有北京等十多个城市有地铁运营或正在建设.我国是多震国家,20多个百万以上人口的特大城市中有70%属七度和七度以上的地区,北京、天津、西安等大城市都位于八度的高烈度地震区[2].地震对于我国的地下工程建设构成了严重的威胁.地面结构的抗震计算方法在最近一百年的时间内不断得到完善.但是地震对于地下结构的危险性却没有得到足够的重视,这是因为人们普遍认为地下结构对于地震不敏.然而20世纪在美国、日本、苏联、中国等国的地震资料表明,在强震发生时震区的地下结构受到不同程度损伤及破坏.尤为瞩目的是1995年1月17日发生在

4、日本南部里氏7.2级的“阪神地震”,对地下结构造成了有史以来最严重的破坏,地下铁路、地下停车场、地下隧道、地下商业街等大量地下结构均发生严重破坏,地铁车站的破坏尤为严重,其中中柱大量折断,混凝土脱落,钢筋暴露,有的出现严重屈曲,顶板塌陷,侧墙出现大量宽大裂纹,造成地铁上方的国道路基大量塌陷,有的塌陷深度达2.7m,致使日本南部交通瘫痪[3].修复大开站需要100亿日元,修复隧道需要180亿日元[4].我国地下结构的抗震规范从50年代至今,还一直沿用传统的静力理论,这一理论不能反映地震时地下结构的工作特性,更不能满足地下工程结构发展的需要.因此,开展对地下结构抗震的深入研

5、究己迫在眉捷.2地下结构在地震作用下变形破坏的特点　　地下结构与地面建筑受地震作用时工作特点不同.首先地下结构完全埋置于地下.对于地下结构,结构产生应力的主要原因不是惯性,而是地基应力应变状态的改变;第二,地下结构具有与周围介质不同的刚度,因而改变了地震波场,使地下结构周围波场的确定变得困难;第三,地面建筑一般尺度与地震波长相比小,因而可认为其基础各点的运动相同.而对于象地铁这样的长型建筑,其基础各点将不会同时运动,尽管其运动规律可能相同.除此之外地下结构的抗震还受到其他因素的影响,如地表的地貌、埋深、地基的含水量等.这些特点使得地下结构的抗震理论与地面结构的抗震理论不

6、尽相同.3地下结构抗震理论发展现状地下结构抗震理论的发展也是随着地面建筑抗震理论的发展而发展的.上世纪50年代以前,国内外都是以静力理论为基础来计算地下结构的地震力.1941年,M.Biot提出了目前各国普遍采用的反应谱理论[2],这使地震工程理论取得了突破性进展.在地下结构的抗震计算中,线性反应谱的应用遇到了一定的困难,这主要是因为没有确实可信的加速度谱及地下结构的频率和振型难以确定.线性谱法的进一步发展是动力计算方法,即利用类比的速度、加速度谱法计算.具体应用到地下结构的计算时,加速度谱计算法沿两个方向得到了发展,下面就分别叙述.3.1波动学方法第一个方向是应用波动

7、力学的方法研究结构及周围介质的地震力状态.地基被看作是连续的弹性及粘弹性介质,隧道可以看成是具有支护的或者是无支护的空腔结构,结构的计算归结为解弹性或者粘弹性动力学问题.地震荷载可以由波动力学散射课题的解确定.鲍亦兴、毛昭宙、Mente等人解决了在纵波及横波作用下线弹性介质中孔口的动应力集中问题及对于衬砌的作用问题[5-6];Guz、Golovchan解决了自由面对于地下结构动应力集中的影响及多连通区域对于弹性波的散射及衍射问题[7].地下结构对于非平稳作用的反应对于实际工程来讲是非常具有意义的.在文[8]中,Strelchuk等研究了非