日本阪神地震地铁工程的震害分析

TTMSsystemofficeroom【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-TTMSHHJ8】【提要】日本阪神地震对开挖式施工的地铁工程造成严重震害。作者认为竖向地文采用冲量原理竖向地震作用，能较好地解释，造成了严重震害。有的因柱子被压碎，而造成地面塌陷。日本大林组技术所关于兵库县南部地震的调查资料介绍了三宫段尚未压坍的结构典型破坏(图1)。文中还介绍了一些与震害轻重有关的因素，其中很重要的一点是:地构上部土层厚度越厚，震害越轻。如图1中站房的上层中柱，土层厚度仅为3m震害却比埋深8m的线路段中柱破坏重得多，柱子中间部份几乎压碎，而线路段柱仅在中间位置出现竖向裂缝。这种特点是很值得分析的。作用造成破坏。而且破坏特征多为竖向开裂，更不是由水平地震作用所致。程设计时。用墓本计算公式为[1]:FEVa:G力可化至G1和G2，也可略去)。结构及土层总重为:G=G1+G2。土层厚度化为等效的混凝土厚度。取土的重力密度vkNm,混凝土的vc=25kN/m8，则等效厚度h=8mx18/25=5.76m。此时，上部土层及顶板的总厚度H1=5.76m+0.8m=6.56m,底板厚度H2=1.0m。在用公式(1),式(3)计算时，便可用H1代G1,H2代G2。3水平加速度，即av=640ga1，av=重力。按旧规范单一安全系数法，受压构件安全系数上竖向地震力，已达到了极限状态，柱子产生竖向裂缝是必然震害G用上述同样方法，可计算出上柱及下柱竖向地震力及竖向地，列于表1.为倍，均超过了允许强度。性能较好，才米破坏。日本大林组技术研究所调查报钢筋混凝土柱时，也发生了破坏，但比上柱为轻，仅表FEViGi与静重力之和为(AxBxvc)，而下柱仅为(AxB次阐明:竖向地震力不是结构底部最大，当n>值，也不是在结构根部。分析各类结构的震害点。这一概念应当引起注意。mm房上柱震害m向地震力与静重力的比值，以及各种情况竖向地震力绝对值的相对厚度对震害的影响。计算结果列于表2。从表2中可以看出，土其比值已小于3000，一般不会发生震害。m震力绝对值为10000,25m厚时才12300，可见竖向地震力的绝对值增加较小。冲量原理计算竖向地震作用，基本上反映了震害特。在此，可以得出以下几点概念:竖向地震力与静重力之和，大于下柱，其震害上柱必然偏重。度大于20m时，一般不会发生震害。.地下结构必须考虑竖向地震作用，通过计算判断抗竖向地震作用的能力。〔1〕杨春田、于淑琴，烟囱在竖向地震作用下计算方法的探讨，《特种结构》1989,2M11日来源：互联网核心提示：破坏的道。然而，阪神大地震的道。然而，阪神大地震中，包括诸如地铁结构在内的大量大型地下结构出现严重的破坏，使人们对地。初步研究表明，地下结构具有不同于地面结构的情形下，同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。地面交通愈来愈不堪重负。为了减少地、青岛、大连、深圳等城市筹备工作。据不完全统计，在全国21个百万人口以上的城为649km的地铁和轻轨。几条海底隧道和过江隧道也正在积论证中。活动性非常频繁，是世界上最大的一个大陆度区划图，我国大部分地区为地震设防区，在0%属7度和7度以上的地区，像北京、天津、西8度的高烈度地震区，南京也位于7度区内。人所共知的，地面结构的抗震研究也达到实用物的抗震设计规范;对地下结构的地震破坏却构很少涉及。这是因为：和地面结构相比，面波随着埋深的增频成分吸收，使地下结构受到的地震荷载大大减小;同时地下并且大部分是小型地下结构如地下管线等，因而地下结构震害轻，地下结构严重震害事例更是寥寥无几。工程界只片面强调层制约、抗震性能较好的一面，人们简单认为地下结构在地震致使地下结构抗震研究严重滞后于地面结构抗震研究。随着地结构建设规模的不断加大，地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。应特性周岩土介质的存在，会发生不同于地面结构的响的形式传播能量，当地震波从基岩传入场地时，土壤介质在地产生运动，同时将运动传递给地下结构。对于小断面地下结构下，土结构相互作用可以忽略，此时地下结构随自由场土介质应力较小。而当地下结构存在明显的惯性或者土-致地下结构的破坏。此时，地介质之间会发生运动相互作用和惯性相互作用。考虑动力相的影响主要有：作用在土结构体系的地震输入运动会发生变化体系变得更加柔性，使结构感觉到的输入相当小;从结构物向外这种阻尼的增加很明显，导致动力反应急剧降低。现地下结构与地面结构反应特性的差异主要表现为：地低阶模态的影响;线形地下结构的振动形态受地震波大，入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可;地下结构在振动中各点的相位差别十分明显;地下结构在振般与地震加速度大小的联系不很明显，对地下结构动力反应起主要作用的因素是地基的运动变形，而不是地基加速度。：地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化硬质到软质的过渡地带，或由挖土到填土的过渡地带。在这些、地质条件的变化或地形的变化，地层振动及位移响应也有较中产生大的应变，使地下结构遭受破坏。相反，若某一地区地地震中的烈度较大，其中的地下结构也往往会较为安全。这一。在结构断面外形和刚度发生明显变化的部位也轻易发生破发生的盾构法隧道与竖井连接部的环间螺栓被剪断即是由于化而使不同断面处产生了不同的响应的结果。因此，地下结构结合部，地下结构断面发生突变处，地下与地面结构的交界处如隧洞的进出口部位，隧洞的转弯部位及两洞相交部位，均为抗震的薄弱环节。，当地下结构穿越断层地域或结构与断层、软弱带相交的部位等时，也都易对地下结构造成破坏。大型地下结构在地震中遭受严在神户市内2条地铁线路的18座车站中，神户高速铁道的大开站、部分，神户市营铁道的三宫站、上泽站、新长坏。在：它们都位于烈度为7的地区;它们在建造时柱的箱涵形框架结构;它们的原设计中归纳起来，神户地铁结构的破坏有以下主要特点：发生的破坏比对称结构严重。破坏严重。生在中柱上，出现了大量裂缝，有斜向裂缝，也有竖向裂缝，有位于中间的;柱表层混凝土发生不同程度的脱半中柱因断裂而倒塌。有横墙处，中柱破坏较轻。地下结构上部土层厚度越厚，破坏越轻。站房上层中柱的中间部位几乎压碎，而线路段中柱仅在中间位置出现竖向裂缝。大量的斜向裂纹，非凡是在角点部位。顶板、侧墙也受到程度与中柱密切相关;当中柱破坏较为严重时，顶板墙就会出现很多裂缝，以至坍塌、断裂等。曲裂缝。在接头下端也有损坏。究的初步结论者对地震破坏展开系统的研究。其中对地下结构破坏分析和数值模拟等多种途纳为以下几点：地震时相邻地层间的相对位移是影响破坏较轻，这与实际震害相符。在水平地震动作用下，地下结态下所没有的较大的水平剪力和弯矩，使中柱中的剪力超过切破坏，中柱的破坏是整个地铁结构破坏的根本原因。竖向震增加，水平震动和竖向震动的共同作用加剧抗震的薄弱环节———是应考虑动产生的内力的共同作用，不应仅将结构中轴力弯矩等内力行校核。由于地层条件及截面尺寸的变化，在相邻地层、相邻相对位移对结构内力的影响也不能忽视。这与美国60年代修快速地铁运输系统时，所得到的地铁震害是由于土体的地震构，从而使结构产生应力和位移，最终导致地下结构破坏的设计经验是一致的。避免地震破坏的措施一个具有较强的抗震性能，地震中不易遭受破坏。但通过对这个问现，城市地下空间的大规模开发以及地下结构的大量建设是排水管道，数量不多，分布也不广泛。近年来，随着城市地下地铁系统、盾构法隧道、地下商业街、地下停车场及共同沟等地下结构基本上还未曾经历过大的地震，它们真正的抗震性能。因此并不能简单地认为地下结构抗震性能好、地震中不易破坏。5年阪神大地震所证实。这次地震不仅使城市生命线工程遭到严区间隧道等大型地下结构也受到破坏，其中产生了地铁车站。阪神地震使工具体评价地下结构抗震安全性，加强研究地下结构的抗震空间开发利用的21世纪，具有重要的理论意义和工程实用价值。地铁，不仅会使经济上蒙受严重损失，同时会产生严重的社会和政结构设计成能反抗四周地层介质的地震运动和变形是不可能构具有吸收强变形的延性，能承受四周地层介质的变形，并且能力，而不应是使地下结构抵御惯性力，从而使人们改变以往单纯依靠增强结构强度来提高抗震性能的传统观点。根据各国地下结构的震害分析，提高地下结构抗震能力可从以下方面采取措施：砂土地基而减少地震液化;在相同条件下，尽量选条件答应的情况下，尽量采用暗挖法施工，即使用质与地基土类型相似;在结构中柱和梁或顶板的节时，采用了中柱顶端与横梁活动连接的方式便是实例。，地下结构在地震时并不是绝对安全的。以前地下结不能说明地下结构在地震时安全。在大力提倡开发利用地下空间的今天，修建地铁已成为解决城市交通和城市污染等“城市综合症”修建地铁的城市，其地基状况并不很好，如南京，地铁沿痛教训，防患于地铁的大城市发生强烈地震，也能确保地铁结构的安全和通。集.1994对地下洞室的破坏.地下空间，1992岩石力学与工程学科发展的若干思考.见：面向国民经济可持续.Cementandconcretecomposites1997.Cementandconcretecomposites1997oshio基于子结构法的地铁车站地震反应分析车站的破坏情况进行了调查，深入分析了地铁车站的地震破坏机理。采用二维子结构分析方法(SASSI2000)分别对水平向和竖向地震动作用下神户大开地进行了数值模拟分析。在建模时把地铁车站上方的土体作为车站的附属SI震害进行了详细地对比分析发现所得的地震反应规律与其震害完全大开地铁车站的各种震害现象。因此，对地下车站震震害的破坏现有的地下结构并不安全，有时甚至会发生严重的破坏，特别值得下工程均发生严重破坏，其最引人注意的是地铁车站的破坏最为严上的中柱完全坍塌，导致顶板和周围地层之间通过各种弹簧连接，把由地震变形直接通过文克尔土体弹簧作用于地下结构，把土体质点位移以正弦这种简化模型的确给地下结构的抗震设计带来了很大的方便。但是，由下的动力特性非常复杂，又存在地区的差异性，因此很难准确地确定这荷载作用下的弹簧系数。同时，该方法没有考虑结构本身的惯性力，采积分法更是为动力有限元法的发展和应用提供了动力。近几年，JunSeongChoi(2002年)等基于大型有限元软件ANSYS二维有限元整体分析方法对非作用进行了数值模拟，给出了矩形地下结构内由地震荷载引起的动内考虑竖向地震和水平地震的共同作用，用无限元与有限元的耦合来地震和水平向地震作用下，对在神地震中破坏最为严重的大开地铁车站进行了地震反应分析，对其震害作了算原理决飞机结构这类大型和复杂结构的有限元分析问题而建立于共同作用分析。用子结构法计算土与结构的动力相互作用问题是一在这个方法中，把线性的土与结构相互作用问题分解成一系列简单的题分别求解，最后利用叠加原理把分析的结果建立联系，得出问题的方法有很多，根据对土与结构接触面上结点自由度处理方法种分析方法：(1)刚性边界方法；(2)柔性边界方法；(3)柔性体法；(4)子结构缩等提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法(SASSI2000)主要采用柔性体法和子结构缩减法，该方法主要适用于上部结构基础与土体的动力相互作用问题(见图1，图中ab为子结构Ⅰ，也就是自由场；图c基础所取代；图形成了整个相互作用体系。在这个体系中，假定自由场与开挖土部分于土与结构相互作用问题中，则可得土与结构相互作用问题的基本运动方程方程式左边的频率复相关动刚度矩阵，是指从自由场和上部结构的动刚参数的选择两种断面形式，底板、中柱和侧墙为现浇钢筋混凝土结构，本文取度在标准段为4~5m，为了考虑中柱的间距对二维有限元分析的影响，采用中柱弹性模量折减法，算得效模量为×104MPa为：表层为填土；下面为全新世砂土，该层厚度m2地震中记录的相似加速度时程(见图3)进行地铁车站地震反应特性研究，考虑水平向地震作用下地铁车站的地震反g把加速度调整为0.15g。g震求解地下结构与土体的动力相互作用，本文把地下结构顶地铁车站的附属结构来考虑，该部分土体的非线性采用结果与分析车站的地震反应规律，利用SURFER7竖向地震作用下引起的地铁车站水平向正应力5和竖向地震作用下的反应规律具体分析(1)在水平地震作用下，大开地铁车站的中柱上端和下端产生很大的剪切应力，是中柱下端发生剪切破坏的可能性更大，如图5(c)；在各构件的连接处附近应力集中现象非常明显。(2)在竖向地震作用下，地铁车站的最大应力反应与水平荷载作用下的结果明显大于其它部位的反应，中柱很可能图f侧附近的顶板和底板处产生很大的剪切应力，在这些部位很可能图5(e)；在侧墙内侧产生很大的压应力，在该部位容易发生压碎破坏，如图5(f)。向和竖向地震作用下的反应规律与大开地铁行对比分析，本文所得的结果与大开地铁车站的震害非常的生混凝土压碎破坏，破坏形式如图m侧主钢筋出现弯。同时，在1995切破坏，破坏形式如图向地震的破坏作用。nLysmer等提出考虑土与结构动力相互作用的子结构法(SASSI2000)主要是用于求解上相互作用。本文基于该方法的建立了合理的计算模型，把地铁的指导意义和参考价值。M].日本:鹿岛出版社,1994.15－48.ShuklaDKRizzoPC,StephensonDE.EarthquakeloadanalysisoftunnelsandshaftsAProceedingsoftheSeventhWorldConferenceonEarthquakeEngineeringC]:[.],1980.20－28.JohnCMSZahrahTF.Aseismicdesignofundergroundstructures[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology21(1):65－197.JunSeongChoiJongSheLee,JaeMinKim.NonlinearearthquakeresponseanalysisofDundergroundstructureswithsoilstructureinteractionincludingseparationandslidingatinterfaceA].15thASCEEngineeringMechanicsConference[C].NewYorkColumbiaUniversity,2002.HongbinHuoAntonioBobetSeismicdesignofcutandcoverrectangulartunnels-evaluationofobservedbehaviorofDakaistationduringKobeearthquake[A].1995.ProceedingsofstWorldForumofChineseScholarsinGeotechnicalEngineering[C].ShanghaiTongjiUniversity003.456－466.JohnLysmerFarhangOstadanChihChengChin.ASystemforAnalysisofSoil-structureInteractionMBerkeleyGeotechnicalEngineeringDepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofCalifornia,2000.nabelLysmerSeedAComputerProgramforConductingEquivalentLinearSeismicResponseAnalysesofHorizontallyLayeredSoilDepositsM.],1992.95年日本阪神地震近场强地面运动的特征[J].西北地震学报,i全部资料均来自日本相关政府网站。等方面对阪神大地震的灾后重建工作进行了梳地震灾后重建工作的5点启示：灾后重建工作中必须明确各级政府的支出责发挥地方政府的作用；重建规划应按照轻重缓急统筹进行；产业复兴要把产业构调整升级放在重要地位；产业复兴要把中小企业作为重点扶持对象。年1月17日凌晨的阪神大地震，造成了六千四百多人死亡、三万多人受伤、直接经济日元的巨灾。本文对阪神大地震的灾后重建工作进行梳理[i]，以便为我国的汶川大地震的灾后重建工作提供借鉴。日本中央和地方政府先后成立了如下机构，以对灾后重建工作进行指挥、指导和协调。厅事务次官下河边淳担任委员长，前副总理后藤田正晴和经团联名誉会长平岩外，委员中包括兵库县知事、神户市市长、关西经济联合会会长，以及3位知名专家思路。在这一年中，委员会共提出了11项建议和3项意见，是灾后重建工作的最高决策咨询机构。由内阁官房长官和专职负责地震灾后重建事务的大臣担任，其他内阁大臣均为本项法律是有效期5年的时限立法，因此本部的活动期限也相应为5年。该本部根据前大震灾复兴相关省厅联络会议”。县南部地区，灾后重建工作主要由兵库县政府组织实施，因此该复兴本部是由兵部长。设立该本部的目的，是为了超越常态行政体制的束缚，打破部门壁垒，强力统筹、综合推进灾后重建工作的开展。户市三者之间的协议会。从1996年2月到1999年12月之间，协议会共召集了1次会议，就灾后重建工作中的有关事项进行协商。5年2-6项特别立法，作为灾后重建及震灾善后工作的法律依据。这些法律分别涉及的减免、震灾复兴的方针与机构设置、对灾区地方政府的特别财政援助、发行特别财政转移支付、促进受灾失业人员的再就业、受灾建筑物重建的相关规定等内是划围，将其作为“严重灾害特别财政援助法”的适用对象，同时提高中央财政的援助及补助标准。政府主导灾后重建并承担更多的责任。但中央政府的判断是，阪神震灾的灾害规特别财政援助法”等灾害相关法律体系已经比较完备，因此没有采纳兵库县的要求。震灾复兴规划的制定工作在兵库县政府的主导下开始进行。成立了由各界专规划的性质是兵库县实施震灾复兴的行政规划。规划的目标年份为2005年。规划的基本目标是：(1)建设21世纪的福利城市；(2)建设向世界开放、充满文化气息的社会；(3)建设既有产业高度化、新型产业茁壮成长的社会；(4)建设抗灾能力强、能够安心生活的城市；(5)多核网络型都市圈。规划所面临的主要课题是：(1)居民主体的城市建设；(2)人与自然共生的环境创造；(3)通过放松管制促进民间活力参与重建；(4)寻求国内外对重建的广泛参与和支援；(5)推进行政与财政的改善；(6)中央对地方的支援；(7)复兴事业的管理。应对的事项为：对灾民生活的支援；废墟和瓦砾的处理；公路与港口的修复。复兴特别事业”，中央政府给予特别的政策支持。”和分区域的“县民复兴论坛”，共搜集到来自居民的意和团体也积极建言献策，到1998年3月底为止共提供了923项建议。定之后，兵库县政府又针对需要在短期内快速实施重建的住宅、产业和基础设“紧急复兴3年规划”。以住宅为例，兵库县政府根据“兵库住宅复兴会议”于政策建议，于同年8月制定了“兵库住宅复兴3年规划”。该规划提出了到1997年年底为止的3年中建设125，000套住宅的目标。在随后的重建过程中，兵库县还先后制定了“复兴规划推进方略”(1999年3月)、“后期5年推进计划”(2000年11月)、“最终3年推进计划”(2002年12月)，作为复兴规划的补充和细化。占50%。中央财政资金的80%是前五年投放的。于临时住宅建设和灾害抚恤金1400亿日元，公路与港口等基础设施的修复重建5100亿日于高速公路和港口的修复7200亿日元，用于建设安置灾民的公营住宅和公路建设2050亿日元。从1994财年到1999财年，中央财政共投放灾后重建资金50200亿日元。其用途如下：害救助费1800亿日元资金贷款1400亿日元亿日元次生灾害的对策费用1100亿日元00亿日元重建费用14000亿日元，其中阪神高速公路修复费2100亿日元官厅设施的抗震性能费用4700亿日元设及支援个人住宅建设费用7200亿日元设费用2900亿日元会福利的费用800亿日元灾中小学生的援助费用1500亿日元0亿日元，其中的2000亿日元用于中小企业对策，主要包括农林水产设施的修复与建设、就业对策等的总事业费万亿日元，按照资金来源和用途进行整理的结果如下表所示。这里的本目标所列的。可以看出，重建资金的最主要的投向是基础设施的修复重建和城市建设。3950、11500、10800、9000、7450、5900、5650亿日元。考虑到震灾发生时1994财年只剩下两个多月，初始阶段的资金集中大量投放十分明显。995年4月1日，是中央与灾区地方政府为适应对灾民和受灾中小企业救援的需求而言，在已有的制度规定中找不到可以直接向灾民和的依据，通过建立这样一个基金而起到了制度创新的作用。基金的基本框架如下：(1)14家银行联合向兵库县和神户市贷款8800亿日元，其中5800亿元的利率为%，3000亿元的利率为3%。(2)兵库县和神户市将这笔资金全额无息贷给基金。(3)银行把和神户市的债权变为债券，以8800亿日元让渡给