地铁地下结构抗震性能分析

摘要：随着时代的发展，大规模的地铁轨道交通的建设已越来越普遍，随之也带来了许多需要解决的工程实际问题，地铁地下结构的抗震性能研究为其中之一。本文以地铁地下结构为研究对象，对地下结构抗震研究的主要方法进行了总结，并对地下结构振动特性及其影响因素进行了分析。

关键词：地下结构、抗震分析、混凝土损伤

Abstract: with the development of The Times, the scale of the metro rail transit construction of more and more general already, it also brings many needs to solve engineering problems, the structure of the subway underground seismic performance study for one of them. Based on the subway underground structure as the research object, the underground structure seismic research the main methods are summarized, underground structure vibration and influence factors were analyzed.

Keywords: underground structure, seismic analysis, concrete damage

中图分类号：TU352.1+1文献标识码：A 文章编号

引言

在我国，地下结构抗震方面的研究是相对滞后的。迄今为止，还没有一部独立的地下结构抗震设计规范，主要原因在于地下结构抗震方面基础研究工作开展不够，资料积累不足，对地下结构的动力反应特性和抗震设计方法等方面缺乏深入系统的研究。本文中，笔者就自己几年的工作经验，就地铁地下结构抗震性能进行分析，希望与同行一起探讨。

一、结构抗震研究方法概述

总结现有的地下结构抗震研究方法，主要可分为原型观测、理论分析和模型实验三个大的类别。

1、 原型观测方法

原型观测方法主要包括地震观测和震害调查两种途径。地震观测方法需要地震发生前在所观测的地下结构内部关键部位及围岩中埋设加速度计等有关测量装置，目前，这方面的资料正在不断地积累。

2理论分析方法

现有的地下结构抗震理论分析方法主要可分为两类。一是波动角法，一般主要应用于地下结构抗震平面问题的研究。另一是相互作用法，此方法比较适于从整体反映地下结构的三维特性。

3、模型实验方法是地下结构抗震研究的一种重要途径.现有的模型实验方法主要包括人工震源实验、振动台实验和离心机振动台实验。

二、地下结构振动特性及其影响因素研究

本文通过FLAC3D数值模拟方法，对地下结构振动特性进行分析。

1、动土压力及相对位移特性研究

以下通过数值模拟分析方法将对其进行专项研究，列举其中一种工况模拟分析过程，如下：地下结构尺寸为7m×7m，整体模型尺寸：水平方向取60m，竖向取为28m，如图1所示。

在模型底部输入正弦剪切波加速度时程，局部放大可见接触面设置情况，选定土压力监侧点位置，计算结果如图2所示。

图1 计算模型图

图2 左右侧培中部、顶部及底部动土压力变化规律图

分析结果可得:左右侧端顶端的动土压力峰值与零点交替出现，侧地的顶端和底端动土压力相对较大，其峰值约为中部各点动土压力峰值的20倍左右，出现了应力集中;侧墙与周围土体时而接触，时而脱开，相比之下，侧墙中部与周围土层最大脱开距离很小。可见，地下结构底板与土层的剪切力比顶板与上镇土层的剪切力大很多；顶板与周土的相对剪切位移要比底板的相对剪切位移略大;无论顶板、底板深度位里处，监测点距离地下结构越远动土压力峰值越小。

2、竖向地震动作用下的振动特性

己有震害表明，竖向地震动对于地下结构具有一定的破坏作用。以下通过数值模拟方法对其进行专项研究，计算模型及参数同上述一致。由于篇幅有限，以下进行的分析不再列举计算结果图示。

经过计算分析可得：在竖向地展动作用下，地下结构顶板、底板位置处以及土中相同深度位置处竖向应力均显著增加，且结构顶、底板处竖向应力远大于土中相应位置竖向应力；竖向地震动作用下，地下结构时而受到较大的竖向压力，产生较大的竖向压缩变形，之后又与上授土层完全脱开，出现零接触应力状态。

3、覆盖土层厚度的影响

地下结构上覆土层厚度对地下结构的初始应力状态有着重要影响，在地震荷载作用下，以地下结构侧墙顶底端水平位移差为研究对象，分别设置上覆土层厚度为0. 1.4m, 2.8m, 7.0m, 14m, 21m, 28m，建立相关计算模型。

通过计算分析得出：随着覆盖土层厚度的增加，地下结构侧墙顶底端水平位移差逐渐增加；当覆盖土层厚度超过地下结构高度之后，此位移差随覆盖土层厚度增加呈线性增长规律，与之相对应深度处土层位移差则不随覆盖土层厚度增加而改变。

4、地下结构对周围场地加速度反应的影响

类似地铁车站地下结构的建设，往往会对周围场地的振动特性产生一定的影响，以下通过数值模拟分析方法对地下结构存在对于地表沿线周围场地加速度反应的影响进行专项研究。选定地表监测点位置后，进行以下项目研究分析：

（1） 对地表加速度时程的影响

计算结果得出：与自由场地表加速度时程相比，地下结构正上方及其附近加速度时程受到一定程度的影响，其峰值及频谱特性均发生不同程度的改变；随着水平距离的增加，影响程度逐渐减弱，当水平距离超过地下结构宽度的二倍以上时，影响程度已经很小。

（2）对地表水平加速度峰值的影响

针对由于地下结构的存在对地表水平加速度峰值的影响进行专项研究，在模型底部输入正弦剪切加速度波，地表各监测点加速时程设定后，得出：地下结构正上方地表及其附近水平方向加速度峰值均受到一定程度的影响，比距离地下结构较远处地表峰值加速度略小;(2)随着埋置深度的增加，影响程度有逐渐减弱的趋势。

（3）对地表竖向地震动的影响

对地下结构的存在对场地地表竖向地震动的影响进行专项研究，在模型底部输入竖向加速度正弦波。得出:对于地表各监测点竖向加速度峰值，地下结构上方同较远处相比变化不大，但其蜂值出现时间相对滞后；随着埋置深度的增加，地表各点的竖向加速度己基本相同，地下结构的存在对其己经没有影响。

结论

本文通过采用FLAC3D数值模拟分析方法对地下结构振动特性及其影响因索进行了较为系统的研究，并针对得出了相关结论，希望与同行共同探讨，为地铁地下结构抗震性能做出一点贡献。

参考文献

【1】刘晶波，李彬.地铁地下结构抗震分析及设计中的儿个关键问题.土木工程学报，2006.39 (6): 106-110.