地铁车站结构抗震设计探究

1、地铁车站结构抗震设计探究摘要：近年来随着城镇化进程的推进，交通拥堵问题越来越严重，而地铁以其 快速、便捷的优势，迅速受到大型城市的青睐，同时也成为一个城市现代化的标 志，因此地铁建设在国内外诸多城市中如火如荼的进行着。地铁建设作为百年工 程，地铁的抗震性能设计是地铁结构设计的重要组成部分，针对地铁抗震性能的 分析也受到广大学者的重点关注。关键词：地铁车站；结构；抗震设计城市轨道交通系统在维持城市正常运转中具有重要的地位，出现严重破坏将直接导致运 行中断和系统失效。地下空间为不可再生资源，一旦损坏通常需要进行原地修复，技术难度 大、工期长、费用高、影响大。城市轨道交通的抗震设计不仅要解决复杂的地

2、理地质环境问 题，还需要解决不同荷载工况下车站结构的安全性问题，因此考虑到城市轨道交通地下车站 的重要性和震后修复难度，在进行工程的建设时，要严格按照相关规范执行。本文通过对地 铁车站结构抗震设计的探讨，对地下结构抗震分析方法进行研究，期望对于地铁车站结构抗 震设计具有参考价值。一、地下结构抗震设防目标依据住房和城乡建设部下发的市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程 篇）及城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014），并考虑到城市轨道交通地 下车站的重要程度，抗震设防目标如下：当遭受低于本工程抗震设防烈度的多遇地震影响时， 市政地下工程不损坏，对周围环境和市政设施正常运营无

3、影响；当遭受相当于本工程抗震设 防烈度的地震影响时，市政地下工程不损坏或仅需对非重要结构部位进行一般修理，对周围 环境影响轻微，不影响市政设施正常运营；当遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震（高 于设防烈度1度）影响时，市政地下工程主要结构支撑体系不发生严重破坏且便于修复，无 重大人员伤亡，对周围环境不产生严重影响，修复后的地铁可正常运营。二、地震响应特点城市轨道交通结构的场地与地基应考虑下列宏观震害或地震反应：1、强烈地震动造成场地、地基的失稳或失效，包括土层液化、震陷、地裂缝、滑坡等;2、地表断裂错动，包括地表基岩断裂及构造性地裂造成的破坏；3、局部地形、地貌、地层结构的变异引起地震动异常

4、造成的特殊破坏。三、地下结构抗震分析方法及原理3.1地震系数法该方法是将地震动荷载简化为结构与土体的惯性力、主动侧压力增量、土体抵抗力3种 静力荷载进行抗震计算，忽略了土层刚度对结构变形的控制，且惯性加速度的取值过于粗糙， 会引起较大计算误差；仅在结构刚度与土层刚度符合某种关系时才能得到较高精度的计算结 果。3.2自由场变形法将地震作用下结构位置处的自由场变形直接施加在结构上作为等效荷载计算，忽略了地 下结构的存在对土层自由变形的影响，地震荷载形式过于简单，没有考虑到结构与土层之间 的刚度差，误差相对较大。3.3反应位移法将地震荷载等效为结构惯性力、地震剪应力和结构相对位移3种拟静力荷载，土与

5、结构 之间的相互作用通过设置弹簧模拟，其参数取值可参考日本铁路抗震设计规范等相关文献。 由于考虑了地下结构在地震作用下的反应特点，可以比较真实地反映结构的受力特征，是一 种比较有效的设计方法。3.4反应加速度法采用地层结构模型，将一维土层地震反应分析得到的结构顶底板处发生相对最大位移时 的水平加速度，施加在土层和结构相应埋深位置处，通过产生的水平惯性力来模拟地震作用。 这种方法可以反映土与结构间的相互作用，可考虑复杂断面结构形式与地质条件的影响。3.5地震土压力法基于极限平衡理论推导出在极限破坏状态下的地震土压力的合力，但不能正确评价地震 土压力的分布和作用点，不适用于有一定埋深的地下结构地震

6、土压力计算。3.6地下结构Pushover分析法在反应加速度的基础上，对设计地震动参数进行了改进，对带有附加自由场的土 -结构 有限元模型逐步施加倒三角水平惯性加速度，直至附加自由场模型达到目标位移，即自由场 反应中地面与基岩间的峰值相对位移。此方法仅适用于地质条件及结构形式简单的抗震计算， 施加的倒三角形荷载形式在土层条件复杂时与实际地震反应有所区别。3.7 土-结构相互作用系数法以自由场变形法为基础，考虑土-结构的相互作用，将自由场变形乘以土-结构相互作用 系数6,作为地下结构在地震作用下的变形，按照强制位移或转化为等效荷载直接作用于结 构一侧。此方法只考虑了土-结构的柔度比，而忽略了结构

7、埋深、结构尺寸以及地震波类型等 的影响。四、地铁车站震害机理分析地铁车站地震破坏和地震烈度，对焦距离和地震波的特征形态的差异，地震力方向与地 质条件、车站结构和周围的土壤介质的相对刚度和施工方法，施工难度密切相关。根据地下 结构在地震过程中的行为，地震的主要或次要影响会破坏车站的结构。其影响包括两个方面: 一是土体的不稳定，即土体变形、位移差、地震沉降和液化。大多数破坏类型发生了很大的 变化，断裂带和浅埋段或车站结构刚度的水文地质条件变化远远大于周围土体的刚度，目前 被公认为主要破坏形式。第二种效应是地震惯性力，指的是结构中强烈的地层运动所产生的 惯性力所造成的破坏。这种类型的损坏大多发生在浅

8、层或开放的车站结构中，地震惯性力作 用更为明显。此外，浅埋车站结构在浅埋地区可能遭受破坏，其破坏程度远高于深埋车站结 构。地震工程研究所的胡宇贤认为，对于地下结构而言，其抗震能力的重要问题在于土体的 地震变形和结构对变形的适应性。因此，地铁车站的抗震设计不仅要求结构在静荷载和地震 荷载作用下具有足够的强度，而且能最大程度地吸收地震引起的变形。因此，地铁结构的抗 震设计原则应考虑破坏，结构设计应具有足够的韧性以吸收由应力和位移引起的地震相，而 不影响其在静力荷载作用下的能力。五、提高地铁车站抗震性能的措施5.1加大抗震研究投入情况为了提高地铁车站的抗震性能，有必要加大对城市轨道交通研究的投入。在

9、地震的过程 中要使用到大量的技术设备和系统的检测手段，与地震监测部门进行沟通，以掌握安全情况， 地震发生时能够及时掌握第一手资料，提高具体问题漏洞，准确地对线路设施做出决策，确 保施工的安全性，避免盲目行为。5.2针对不同工程地质及水文地质进行探究车站结构设计时考虑的工程地质情况主要有场地概况，包括地形地貌、地层岩性、不良 地质及特殊土、土壤冻结深度、抗震设防烈度等；水文地质情况主要有区域水文地质条件、 场地地下水类型、地下水腐蚀性评价等。针对不同工程地质及水文地质情况采取不同的处理 方案，以保证地铁车站工程的顺利实施。5.3加强对地铁车站抗震能力的要求虽然现阶段在一般标准体系我国建筑抗震设计规范仍然是可行的，但为了满足更高的地 铁车站抗震性能的要求，还应该加强对该课题的相关研究。结语：在地震多发地段建设地铁车站，要对地震破坏进行充分的考虑、计算和分析，根据抗震 设计规范中关于抗震构造的措施要求，结合地质构造进行合理的设计和强化，以达到抗震设 防的目标。关于地铁车站抗震研究，目前的理论研究尚存争议，众多计算方法，对于参数的 取值结果存在差异性。建议在进行地铁车站结构抗震设计的时候，应在运用结构抗震设计和 计算分析方法上相辅相成，共同围绕抗震结构布置和构造展开