浅谈地铁地下车站抗震设计

浅谈地铁地下车站抗震设计

方主明

中交（广州）铁道设计研究院有限公司广东广州510290

摘要：随着我国国民生活水平的提升，汽车已经成为人们重要的代步工具。然而，随着汽车保有量的逐步扩大，路面交通拥堵问题已然接踵而至。为解决日益拥堵的路面交通问题，地铁工程已经成为大中型城市建设的重点项目。我国一些大中型城市存在地震灾害，为了确保人们在地下车站中的安全以及行车安全，应科学、合理的对地铁地下车站进行抗震设计。鉴于此，本文将对地铁地下车站的抗震设计进行详尽探究。

关键词：地铁；地下车站；抗震设计

引言：为了快速解决我国大中型城市日益严峻的城市交通拥堵问题，地铁工程已经成为解决这一问题的必要途径。其中，由于地震具有巨大的破坏作用，为了有效的抵抗因为地震而出现的强烈破坏力，需要加强地铁中地下车站的抗震能力，从而有效降低地震所产生的破坏作用，维护地下车站中市民的安全。为了确保城市交通秩序稳定，保障人们的生命财产安全，加强地铁地下车站抗震设计就显得极为关键。

一、我国地铁结构抗震设计标准的发展

尽管我国地铁工程建设时间比较长，但是仍然存在对地铁地下车站地震危害认识不足，地铁地下车站由于存在地层约束，使得其地震危害程度小于地上结构，所以导致没有对地铁地下车站的抗震性有着足够严重的关注，从而使得我国对于地铁地下车站的抗震设计方面存在滞后现象，进而延误了地铁地下车站抗震方面的相关规范标准以及理论的发展。近年来，我国加大了对地下车站抗震问题的研究力度，从抗震设防标准、抗震性能要求、场地与地基抗震规定、地震反应计算和抗震构造措施等多方面进行了全面而系统的规定，为地铁结构的抗震设计提供了依据和指导。

二、我国地下车站抗震研究现状和地铁地下车站常用地震分析方法

1、原型观测法

原型观测法是研究地下车站地震反应规律和破坏机理的手段，主要方式有地震观测和震害调查，它是对真实地下车站地震反应进行实地量测或调查的地下车站抗震研究方法。

2、动力模型试验法

动力模型试验法是研究地下车站地震反应的重要手段，振动台模型试验提供了一种可以控制地震动输入、边界条件、土层性质等影响参数研究地下车站在地震作用下动力反应的手段，它在一定程度上补充了原型观测资料的不足。

3、数值方法

数值方法在研究地下车站地震反应问题中广泛应用得益于计算机硬件技术和计算软件的快速发展，近10年来，计算机计算速度有了质的飞跃，同时现有的计算软件也已经具有较强的计算分析能力，采用数值模拟方法研究大型地下车站地震反应问题成为可能。

三、地铁地下车站抗震分析及设计的具体措施

1、对土-结构动力互相作用进行的快速高效算法

为了有效解决土-结构动力相互作用方面的问题，通常需要通过数据法、半解析法以及解析法等。然而，由于地跌地下车站的结构所限，解析法与半解析法难以充分发挥各自的作用，所以在地铁地下车站工程中，主要应用数据法来解决土-结构动力相互作用问题。其中，有限元法在数据法中由于更具灵活性以及适应性，使得有限元法在其中获得了普遍的应用。因为系统非线性的干扰，所以在有限元法和人工边界相结合使用，对土－结构开放系统做全面的分析时，一定要运用时域逐步积分的算法进行计算，在对它做研究时力学的模型自由度太多、尺度太大时，对它的分析量也就会是很大的。因为地下车站构造过于繁琐，还经常处于较为复杂的地震动场里，这对研究会产生很大的影响。当前我国经常运用二维计算模型做抗震研究和分析，不过因为要对地铁低下结构的地震所反映的规律进行更深层次探索，所以对地下构造三维整体模型做研究是很重要的。

2、对土-结构动力互相作用做的分析模型

在城市地下车站当中，如果出现震级比较高的地震现象，则会在强烈地震力的作用下，地基介质与基底结构会出现比较明显的地弹塑性状态以及非线性状态，导致局部脱离、滑落等不规则形变情况在地基与地铁地下车站的接触面出现。其中，地铁地下车站的地基动力相互作用分析模型需要考虑地基半无限性对地下车站结构存在不利的影响。所以，正确的地下车站分析模型应该不但对非线性因素做全方位的考虑，还应该对半无限地基的模拟进行全面考虑。结构中地基动态的接触非线性、材料的非线性、远近场地基的非线性都是非线性因素。当前中国对结构材料非线性性质的研究相对来说较好一些；对于结构中的地基动态接触非线性的研究探讨同样有较大的突破。对土的非线性问题的研究，特别是动力非线性问题的研究有着最大的突破，做到了发展到几十种动力非线性本构模型的地步，而对结构地基中的远场和无限性类型的模拟问题发展出了多种动力人工边界。尽管还没有哪一个模型得到了广泛的应用，但是对于当前我国所针对的问题也会有不少的正确、科学并且有效的选择。上面所说的各类问题的研究都已经有了很好的研究成果，不过对于要怎样的利用这些研究成果做出构造正确、科学以及合理的地铁地下车站抗震的反应分析模型还必须要做更深层次的分析探索。

3、抗震性能的评估方法以及抗震破坏的模式

对于地下机构抗震理论最为实用的一种方法就是动力时程分析的方法，但是为了更好地对地下车站极限的承载能力和做抗震设计，就必须要在进行探索，以求发展较为有效以及简单的分析方法。观察当前我国的抗震设计方法，对于发展新的抗震方法和新的评估地震破坏模式是很有必要的。当前我国的相关法律规定对于抗震设计必须要在大地震作用的结构弹塑性的变性进行严格的演算。对大地震作用之下的弹塑性变形进行的演算对于地下车站特别是地铁车站结构来说也是很重要的。动力时程分析的方法、静力增量的分析方法以及静力弹塑性分析的方法都是属于最为常用的几种方法。动力时程分析法是因为计算地震反应的时候结构所反映的内力以及变形的状态，从而得出的结构开裂以及屈服的顺序，再发现塑性变形和应力所聚集的位置，最后再对结构的薄弱环节、屈服机制和有可能发生破坏的类型，这样得出的结果也比较准确，不过因为计算的工作量过于太大，计算的结果也会经常受到地震波的影响，把这些用于常规的设计还是会有很多困难的。静力增量的方法相对于比较简便一些，不过它却没有考虑到结构自震的特点和地震作用的密切关系。

4、地铁地下车站的抗震构造措施

目前我国对地铁车站及区间隧道等地下车站抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下车站由于受到地层的约束，地震时构件不大可能出现交变内力，无须特别考虑抗震构造措施；当地下车站与地面建、构筑物合建时，才需按地面结构的抗震要求考虑构造措施。

结语：综上所述，纵观我国地铁地下车站抗震设计标准、抗震设计研究以及抗震设计方法的实际工程应用现状，可以看出地震系数法、反应位移法等简化的抗震计算仍然是我国地铁地下车站结构抗震的主要设计方式。其中，为了对地震状态下地跌车站的反应更加精准，特别是对复杂地铁地下车站结构的地震坟茔进行更加准确的分析，需要建立科学、合理的土体结构模型、人工边界以及精准的波动荷载，还需要我国相关科研人员继续深入进行研究，从而更加快速的推动我国地铁工程建设技术的发展。

考文献：

[1]张博.地铁地下车站建筑空间创造探讨[J].住宅与房地产.2017（18）

[2]江建红，李坤，杜欣.中庭式地下车站结构设计方案优化[J].城市轨道交通研究.2014（05）

[3]龙慧，陈振富，胡萍.软土场地中地铁地下车站对邻近高层建筑地震加速度响应的影响[J].南华大学学报（自然科学版）.2017（02）