日本阪神地震地铁工程的震害研究分析.doc

日本阪神地震地铁工程的震害分析 作者： 日期：日本阪神地震地铁工程的震害分析来源：中国论文下载中心 08-12-14 10:28:00 作者：杨春田 编辑：studa0714【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。作者认为竖向地震作用是造成震害的主要因紊。本文采用冲量原理计算竖向地震作用，能较好地解释震害特征和规律。文中对埋置深度与震害的关系，进行了定量分析。一、前言 1995年1月17日，发生在日本兵库县南部(阪神地区)的地震，对开挖式施工的地铁工程，造成了严重震害。有的因柱子被压碎，而造成地面塌陷。日本大林组技术研究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特征(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:地下结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，而震害却比埋深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。 柱子中间部位破坏，显然是由竖向地震作用造成的。因为在水平地震作用下，由于结构的对称性，柱子中间部位的弯矩为零，且不产生轴力，仅产生水平剪力。在水平地震作用下，仅对柱子上下端产生弯炬。柱子中间部位不可能由水平地震作用造成破坏。而且破坏特征多为竖向开裂，更不是由水平地震作用所致。 本文采用冲量原理计算竖向地震作用，对上述破坏特征进行了定量分析，能较好地解释震害规律。并对上部土层厚度与震害关系，进行了计算分析，可供今后工程设计时参考。二、竖向地震作用分析 采用冲量原理推导的竖向地震作用墓本计算公式为1: 任意水平截面竖向地震力FEVa: 现以上述公式，对图工中的中柱震害进行分析。 1.线路段中柱震害 以图2为计算单元。将结构及上部土层分成两个重力点:G1为顶板及上部土层重，G2为底板重(柱子重力可化至G1和G2，也可略去)。结构及土层总重为:G=G1+G2。 为计算简便，可将土层厚度化为等效的混凝土厚度。取土的重力密度v =18kN/m8,混凝土的vc= 25kN/m8，则等效厚度h=8m x 18/25 = 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。 由于三宫地段的竖向地震加速度未明确，现按中国地震烈度表中的10度考虑，并取竖向加速度为2/3水平加速度，即av=640ga1，av=0.65说明竖向地震力相当于0.575倍静重力。按旧规范单一安全系数法，受压构件安全系数为1.55。可知静重力加上竖向地震力，已达到了极限状态，柱子产生竖向裂缝是必然的。 2.站房中柱震害 计算单元如图3。将结构分为三个重力点,G1为土层及顶板重力，G2为二层楼板重力，G3为底板重力。仍采用上述同样方法，可计算出上柱及下柱竖向地震力及竖向地震力与静重力的比值，列于表1. 由表1可以看出，上柱竖向地震力为静重力的1.42倍，下柱为0.95倍，均超过了允许强度。下柱为钢管混凝土柱，抗压性能较好，才米破坏。日本大林组技术研究所调查报告*中介绍了当下柱为普通钢筋混凝土柱时，也发生了破坏，但比上柱为轻，仅表现为柱的中间部位钢筋保护层脱落，钢筋外露。 由表1可以进一步看出，上柱不仅表现为FEVi/Gi的比值大于下柱，而且竖向地震力与静重力之和的绝对值，也大于下柱。如上柱竖向地震力与静重力之和为7.65(AxBxvc)，而下柱仅为7.13(A x B xvc)，上柱为下柱的1.07倍。但在设计中，上柱的截面或配筋，一般均小于下柱，这种反差，自然造成上柱震害偏重。笔者曾多次阐明:竖向地震力不是结构底部最大，当n1时，竖向地震力与自重相加的最大值，也不是在结构根部。分析各类结构的震害，均证明了这一点。这一概念应当引起注意。三、上部土层厚度与震害的关系 从以上分析可以看出，站房上部土层仅为3m，而线路段为8m，反而站房上柱震害比线路段中柱震害要重得多。虽然二者结构形式不同，但也反映出土层厚度薄，震害较重。 现以线路段为例，设土层厚度分别为4m,8m,12m,20m, 25m，计算竖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关系，以分析土层厚度对震害的影响。计算结果列于表2。从表2中可以看出，土层越薄，竖向地震力与静重力的比值越大，震害也越重。当土层厚度在20m以上，其比值已小于3000，一般不会发生震害。 表2中以4m厚土层的竖向地震力绝对值为10000, 25 m厚时才12300，可见竖向地震力的绝对值增加较小。 这一分析，对抗震设计是有参考意义的。四、结语 通过本文分析，可以看出采用冲量原理计算竖向地震作用，基本上反映了震害特征和规律。 在此，可以得出以下几点概念: 1.竖向地震力沿结构高度的分析，不是结构下部最大。通过站房中柱的比较，上柱的竖向地震力与静重力之和，大于下柱，其震害上柱必然偏重。 2.地下结构上部土层越厚，竖向地震力与静重力的比值越小，震害也越轻。当上暴厚度大于20m时，一般不会发生震害。 3.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。参考文献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1989,2地铁建设中应充分考虑抗地震作用育龙网校 WWW.CHINA- B.C0M 2009年05月11日来源： 互联网育龙网核心提示： 摘要地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。1995年阪神大地震发生之前，很少有大型地下结构在地震中严重破坏的道。然而，阪神大地震-摘要地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。1995年阪神大地震发生之前，很少有大型地下结构在地震中严重破坏的道。然而，阪神大地震中，包括诸如地铁车站及区间隧道等结构在内的大量大型地下结构出现严重的破坏，使人们对地下结构的抗震安全性产生怀疑。初步研究表明，地下结构具有不同于地面结构的抗震性能和破坏特征，在某些情形下，同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。关键词地震地铁破坏1前言随着社会经济的发展和城市人口的激增，地面交通愈来愈不堪重负。为了减少地面交通量，人们开始寻找新的交通模式，地铁应运而生。自北京建成地铁以来，目前我国天津、上海、广州已相继建成地铁1号线，南京、青岛、大连、深圳等城市正积极开展修建地铁的筹备工作。据不完全统计，在全国21个百万人口以上的城市中将筹建33条总长为649km的地铁和轻轨。几条海底隧道和过江隧道也正在积极论证中。我国地处于环太平洋地震带上，地震活动性非常频繁，是世界上最大的一个大陆浅源强震活动区。根据现行地震烈度区划图，我国大部分地区为地震设防区，在全国300多个城市中，有一半位于地震基本烈度为7度乃至7度以上的地震区，23个百万以上人口的特大城市中，有70%属7度和7度以上的地区，像北京、天津、西安等大城市都位于8度的高烈度地震区，南京也位于7度区内。地震对地面结构所造成的破坏是人所共知的，地面结构的抗震研究也达到实用阶段，各国已制订了各种地面结构物的抗震设计规范;对地下结构的地震破坏却知之不多，地下结构的抗震研究才刚刚开始，现在还没有地下结构抗震设计的规范。国内除了对地下管线的抗震作过一些分析外，对于像地铁车站及区间隧道等这样的大型地下结构很少涉及。这是因为：和地面结构相比，面波随着埋深的增加急剧衰减，对地下结构的影响较小;地下结构四周的岩土介质把从震源传来的地震波能量中的高频成分吸收，使地下结构受到的地震荷载大大减小;同时地下结构的数量不多，并且大部分是小型地下结构如地下管线等，因而地下结构震害数量较少，程度较轻，地下结构严重震害事例更是寥寥无几。工程界只片面强调地下结构受四面地层制约、抗震性能较好的一面，人们简单认为地下结构在地震时是安全稳固的，致使地下结构抗震研究严重滞后于地面结构抗震研究。随着地下空间开发和地下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。2地下结构在地震中的动态反应特性地下结构在地震作用下，由于四周岩土介质的存在，会发生不同于地面结构的响应。地震以地震波的形式传播能量，当地震波从基岩传入场地时，土壤介质在地震波的作用下，会产生运动，同时将运动传递给地下结构。对于小断面地下结构，在动力荷载作用下，土结构相互作用可以忽略，此时地下结构随自由场土介质一起运动，因而动应力较小。而当地下结构存在明显的惯性或者土-结构间的刚度失配时，地下结构会产生过度变形导致地下结构的破坏。此时，地下结构与四周岩土介质之间会发生运动相互作用和惯性相互作用。考虑动力相互作用对结构体系的影响主要有：作用在土结构体系的地震输入运动会发生变化;由于土的存在，体系变得更加柔性，使结构感觉到的输入相当小;从结构物向外传播的波能辐射会增加最终动力体系的阻尼，对于近似弹性半空间的土壤场地，这种阻尼的增加很明显，导致动力反应急剧降低。根据大量的地震观测，发现地下结构与地面结构反应特性的差异主要表现为：地下结构的振动变形受四周地基土壤的约束作用显著，结构的动力反应一般不明显表现出自振特性，非凡是低阶模态的影响;线形地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大，入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生很大的变化;地下结构在振动中各点的相位差别十分明显;地下结构在振动中的主要应变一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。地下结构的破坏有以下主要特征：地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域，如地层由硬质到软质的过渡地带，或由挖土到填土的过渡地带。在这些区域内，由于区域、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大不同，因而在其中产生大的应变，使地下结构遭受破坏。相反，若某一地区地层较为均匀，即使地震中的烈度较大，其中的地下结构也往往会较为安全。这一点不同于地面结构。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坏。墨西哥地震中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结构断面的急剧变化而使不同断面处产生了不同的响应的结果。因此，地下结构与竖井、楼房等的结合部，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。在地层发生液化处，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。3阪神地震中地铁结构的破坏情况阪神地震对地铁结构造成的破坏为世界地震史上大型地下结构在地震中遭受严重破坏的首例。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、高速铁道长田站及它们之间的隧道部分，神户市营铁道的三宫站、上泽站、新长田站、上泽站西侧的隧道部分及新长田站东侧的隧道部分均发生严重的破坏。在所受到的破坏中，有以下共同的部分：它们都位于烈度为7的地区;它们在建造时均采用了明挖法;断面结构形式为带有中柱的箱涵形框架结构;它们的原设计中均未考虑地震因素。归纳起来，神户地铁结构的破坏有以下主要特点：不对称结构发生的破坏比对称结构严重。上层破坏比下层破坏严重。车站的破坏主要发生在中柱上，出现了大量裂缝，有斜向裂缝，也有竖向裂缝，裂缝的位置有偏于上下端的，也有位于中间的;柱表层混凝土发生不同程度的脱落，钢筋暴露，有的发生严重屈曲，有单向屈曲，也有对称屈曲的;大开站有一大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。纵墙和横墙均出现大量的斜向裂纹，非凡是在角点部位。顶板、侧墙也受到不同程度的损害，且其破坏程度与中柱密切相关;当中柱破坏较为严重时，顶板和侧墙就会出现很多裂缝，以至坍塌、断裂等。区间隧道的破坏形式上主要是裂缝;其中多为侧墙中部的轴向弯曲裂缝。在接头处也有损害：混凝土脱落，钢筋外露以及竖向的裂缝。在破坏较严重处，中柱的上下端也有损坏。4神户市地铁破坏研究的初步结论神户地震发生后，地震工作者对地震破坏展开系统的研究。其中对地下结构破坏的研究出现前所未有的热潮。研究采用模型实验、理论分析和数值模拟等多种途径相结合，其研究结论可归纳为以下几点：地震时相邻地层间的相对位移是影响地下结构破坏的主要指标。研究结果显示相对位移较大处，地下结构破坏严重，相对位移较小处，破坏较轻，这与实际震害相符。在水平地震动作用下，地下结构产生平时使用状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其抗剪强度产生剪切破坏，中柱的破坏是整个地铁结构破坏的根本原因。竖向震动使中柱轴力大幅增加，水平震动和竖向震动的共同作用加剧抗震的薄弱环节中柱的破坏。地震中竖向震动在地下结构中所起的作用不能忽视，非凡是应考虑竖向震动与水平震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分别与各自强度进行校核。由于地层条件及截面尺寸的变化，在相邻地层、相邻构件间产生的竖向相对位移对结构内力的影响也不能忽视。这与美国60年代修建旧金山海湾地区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变形作用于地下结构，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。5地铁建设中考虑地震的必要性和避免地震破坏的措施由于以前的地震中地下结构震害事例较少、程度较轻，人们逐渐形成了这样一个观点：即地下结构具有较强的抗震性能，地震中不易遭受破坏。但通过对这个问题仔细分析即可发现，城市地下空间的大规模开发以及地下结构的大量建设是近年才出现的。在日本关东地震和我国唐山地震时代，东京和唐山市内的主要地下结构仅为一些给排水管道，数量不多，分布也不广泛。近年来，随着城市地下空间的开发利用，地铁系统、盾构法隧道、地下商业街、地下停车场及共同沟等大量兴建。而这些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也未得到检验。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。这一点已被1995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重破坏，地铁车站及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完全倒塌而不能使用的先例。地铁的破坏，造成了极其严重的经济损失，给神户市的震后恢复重建工作带来严重影响，其本身的维修也非常复杂。阪神地震使工程界熟悉到必须重新具体评价地下结构抗震安全性，加强研究地下结构的抗震性能，对地下结构抗震设计提出相应的建议和抗震措施，这在大力提倡城市地下空间开发利用的21世纪，具有重要的理论意义和工程实用价值。由于地铁是投资非常庞大的基础工程，是城市生命线工程的重要组成部分，地铁的破坏和功能丧失，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治影响。要把地铁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的，必须使地下结构具有吸收强变形的延性，能承受四周地层介质的变形，并且不散失承受静载的能力，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：将地下结构建于均匀、稳定地基中，远离断层，避免过分靠近山坡坡面，避免山坡不稳定地段，尽量避免饱和砂土地基而减少地震液化;在相同条件下，尽量选取埋深较大的线路，远离风化岩层区;区间隧道转角处的交角不宜太小，应加强出入口处的抗震性能;在施工条件答应的情况下，尽量采用暗挖法施工，即使用明挖法，也要注重回填土的性质与地基土类型相似;在结构中柱和梁或顶板的节点处，应尽量采用弹性节点，而不应采用刚性节点，这样可以减小中柱承受的外力。前苏联在修建塔什干地铁时，采用了中柱顶端与横梁活动连接的方式便是实例。总之，阪神大地震提醒人们，地下结构在地震时并不是绝对安全的。以前地下结构地震震害轻数量少并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”的重要途径。而有些待修建地铁的城市，其地基状况并不很好，如南京，地铁沿线地基土层不均匀，并且还有活动断层通过。对于类似情况，应在设计和施工中予以充分考虑，使其安全系数足够大。我们应汲取阪神地震的沉痛教训，防患于未然，做到即使在修建地铁的大城市发生强烈地震，也能确保地铁结构的安全和畅通。参考文献1林皋.地下结构抗震问题.见：第四届全国地震工程会议论文集.19942林皋.地下结构的抗震设计.土木工程学，19963马险峰等.神户市地铁车站的震害及修复.铁道工程学，19984雷谦荣译.地震对地下洞室的破坏.地下空间，19925傅冰骏.对我国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发展战略的岩石力学与岩土工程，19986胡聿贤.地震工程学.北京：地震出版社，19897XuehuiAnetal.ThecollapsemechanismofasubwaystationduringthegreatHANSHINearthquake.Cementandconcretecomposites，19978Senzaisamataetal.Astudyofthedamageofsubwaystructuresduringthe1995HANSHINAWAJIearthquake.Cementandconcretecomposites，19979Hiroomiiida，Toshio，Nozomuyoshidaetal.DamagetoDAIKAIsubwaystation.SpecialIssueofSoilsandfoundations，1996 基于子结构法的地铁车站地震反应分析来源：考试吧（E）2008-12-14 16:03:00【考试吧：中国教育培训第一门户】论文大全-摘 要：对 1995 年日本阪神地震中地铁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铁车站的地震反应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结构，首先采用 SHAKE91 程序计算自由场土体的动剪切模量和阻尼比，在 SASSI2000中不再考虑土体的非线性。将计算结果与 1995 年阪神地震中该车站的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吻合，其计算结果能够合理的解释神户大开地铁车站的各种震害现象。因此，对地下车站的抗震设计具有一定的参考价值和指导意义。关 键 词：地铁车站；子结构法；抗震设计；地震反应1 前 言 以往人们普遍认为，地下结构具有较好的抗震性能，但全球范围内多次地震震害的破坏现象显示，在地震作用下现有的地下结构并不安全，有时甚至会发生严重的破坏，特别值得指出的是 1995年 7.2 级日本“阪神地震”，对神户市内地下结构造成了有史以来最严重的破坏，铁路、停车场、隧道、商业街等大量地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重，在这次地震中，共有 5 个车站和约 3 km 的地铁区间隧道发生破坏，其中大开车站最为严重，一半以上的中柱完全坍塌，导致顶板坍塌破坏和上覆土层的沉降，最大沉降量达 2.5 m 之多。据神户高速铁路公司报道，不计高架桥结构破坏造成的损失约为 300 亿日元，修复大开站需要 100 亿日元，修复隧道约 180 亿日元。 目前关于地下结构抗震设计的主要方法为反应位移法，该方法由 20 世纪 70 年代日本学者提出1，该方法假定地下结构和周围地层之间通过各种弹簧连接，把由地震荷载引起的自由场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曲线的形式给出。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，由于土体在地震作用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种土体弹簧在地震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，采用了拟静力计算方法，因此很难真实地反应地震时地下结构的响应。 随后，有许多学者在反应位移法的基础上提出改进或类似的方法，如 Shukla D.K, Rizzo P.C(1980年)提出了 Shukla 法，John P.W, Zahrah T F (1987年)提出了 ST. John 法。 相比而言，动力有限元分析方法考虑的更为全面，在 Zienkiewicz 等提出了动力有限元法后，Newmark（1959 年）、Wilson（1973 年）等分别提出的逐步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，Jun Seong Choi（2002 年）等基于大型有限元软件 ANSYS 的计算平台，考虑结构与土体之间的分离和相对滑动，采用二维有限元整体分析方法对非线性土体-地下结构的动力相互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力分布图；Hongbin Huo（2003 年）等基于 ABAQUS 有限元软件计算平台，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考虑由有限空间代替无限半空间而引起的边界问题。 本文基于 John Lysmer 等提出的分析土与结构动力相互作用的子结构法(美国伯克利大学开发的通用 SASSI2000 程序)，在建模上进行创新，分别考虑竖向地震和水平向地震作用下，对在 1995年日本阪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，对其震害作了深入的分析和探讨。2 计算原理 结构分析的子结构法最早是为解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起来的，而后才被用于共同作用分析。用子结构法计算土与结构的动力相互作用问题是一个非常简便的方法。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子问题，对每个子问题分别求解，最后利用叠加原理把分析的结果建立联系，得出问题的最终整体解。 处理土与结构之间相互作用的方法有很多，根据对土与结构接触面上结点自由度处理方法的不同，主要使用以下 4 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）子结构缩减法。John Lysmer 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 i表为土与结构接触面上的相互作用节点号，w 为开控区域内部的节点号；s 为上部结构的节点号；g为土体的结点号）。 本文采用子结构缩减法处理土与结构的动力相互作用，其基本概念如图 1 所示，其中图 1（a）为整个土与结构相互作用体系；图 1(b)为子结构，也就是自由场；图 1(c)为子结构，即为开挖土部分，这部分在开挖后由基础所取代；图 1(d)为子结构，即上部结构部分。将 3 个子结构组合起来就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的相互作用仅发生在二者的接触节点上。图 1(b)、图 1(c)、图 1(d)表示出了子结构法求解土与结构相互作用问题的基本概念。 结构动力问题的基本运动方程 式中 M 和K 分别为结构的质量矩阵和刚度矩阵。 将式(1)运用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 式中 M 为总质量矩阵；K 为总刚度矩阵；U 为所有节点的位移向量；Q 为所施加的动荷载或地震激励。 通常，所记录到的地震动都是离散形式的，每个记录到的地震动都含有不同的频率分量，因此，荷载和位移向量可以用频率表示 式中，为指 3 个子结构的编号。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度矩阵中减去开挖土的动刚度矩阵后得到的。频率相关项 X ii为地基阻抗系数，其他符号意义同图 1。3 计算模型及其参数的选择 日本神户大开地铁车站始建于 1962 年，用明挖法构建，有两种断面形式，底板、中柱和侧墙为现浇钢筋混凝土结构，本文取混凝土的泊松比为0.15，重度为 25 kN/m3，弹性模量为 3.0104 MPa。该车站的中柱间距为 3.5 m，大开车站结构所用混凝土的设计强度估算值为：轴心抗压强度为 1.5104 kPa，弯曲抗压强度为 1.65104 kPa，抗拉强度为 1.5103kPa。 大开地铁车站上方覆土厚度在标准段为 45m，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，算得中柱的等效模量为0.86104 MPa；大开地铁车站所处地层的主要组成为：表层为填土；下面为全新世砂土，该层厚度约为 3 m；再下为海积相粘土，该层厚度约为 9 m；最下面的土层为更新世砂砾层，该层的厚度约为 5m。本文所选的车站结构为震害最为严重的结构，其横剖面图如图 2 所示。由于缺少该地方的地质资料，根据已有的研究，对各层土的剪切波速取值分别为：140，170，240，330 m/s。对于土的非线性，采用水平成层土场地地震反应分析程序 SHAKE91来计算，计算所得的土体剪切模量和阻尼比作为程序 SASSI2000 的土动力参数输入。由于缺少 1995 年日本阪神地震强震记录，因此本文根据文献中关于 1995 日本近场强地震记录的特点，选取 Loma Prieta 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应时，把加速度峰值调整为 0.40 g；考虑竖向地震的影响时，把加速度调整为 0.15 g。 由于地铁车站是一个细长形结构，本文只考虑横向地震作用下地铁车站的地震反应，因此可以用平面应变问题来求解。John Lysmer 等提出的子结构建模方法，只适用于求解上部结构与土体的动力相互作用，为了使该计算方法适用于求解地下结构与土体的动力相互作用，本文把地下结构顶板正上方的土体当作地铁车站的附属结构来考虑，该部分土体的非线性采用 SHAKE 程序计算，SASSI2000程序计算中不再考虑其非线性，具体的计算模型如图 4 所示。4 计算结果与分析 为了说明大开地铁车站的地震反应规律，利用SURFER7 后处理软件分别对水平向地震和竖向地震作用下引起的地铁车站水平向正应力、剪切应力和竖向正应力计算结果进行整理，得出如图 5 所示的结果云图，对地铁车站在水平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，很可能发生剪切破坏，尤其是中柱下端发生剪切破坏的可能性更大，如图 5(a)；在地铁车站的顶板和侧墙连接部位的附近产生很大的拉压应力，这些部位很容易发生拉压破坏，如图 5(a)，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不同，具体表现为：中柱的轴向压应力值明显大于其它部位的反应，中柱很可能发生压碎破坏，如图 5(f)；在中柱两侧附近的顶板和底板处产生很大的剪切应力，在这些部位很可能发生剪切破坏，如图 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)。 把本文分析所得的地铁车站在水平向和竖向地震作用下的反应规律与大开地铁车站的震害现象进行对比分析，本文所得的结果与大开地铁车站的震害非常的吻合。在 1995 年阪神地震中，大开车站的中柱大部分发生混凝土压碎破坏，破坏形式如图 6(b)所示。在顶板和顶板中线两侧 2 m 内产生很宽的纵向裂缝，这些裂缝由剪切应力产生的；在侧壁内侧主钢筋出现弯曲，从而侧墙稍稍向内鼓出，这种破坏形式主要是由内墙的压应力过大而引起的，以上的震害现象与本文竖向地震作用下地铁车站的响应规律极其相似，这说明大开地铁车站的震害主要是由竖向地震作用引起的。同时，在 1995 年阪神地震中大开车站部分中柱发生了剪切破坏，破坏形式如图 6(a)所示，在侧墙上部加腋部位混凝土也出现压碎剥落现象，这些现象与在水平向地震作用下地铁车站的响应规律相吻合，这就说明大开地震车站同时受到水平向地震的破坏作用。5 结 语 John Lysmer 等提出考虑土与结构动力相互作用的子结构法（SASSI2000）主要是用于求解上部结构与土体动力相互作用。本文基于该方法的建立了合理的计算模型，把地铁车站顶板正上方的土体当作地铁车站的附属结构，对大开地铁车站的地震反应进行了数值模拟计算，计算结果与 1995 年日本阪神地震中大开地铁车站的震害现象进行对比，验证了本文计算所得的大开地铁车站地震反应规律是可靠的，这些规律对地下结构的抗震设计具一定的指导意义和参考价值。参 考 文 献1 川岛一彦. 地下结构耐震设计M. 日本: 鹿岛出版社, 1994. 1548.Shukla D K, Rizzo P C, Stephenson D E. Earthquake loadanalysis of tunnels and shaftsA. Proceedings of theSeventh World Conference on Earthquake EngineeringC. s.l.: s.n., 1980. 2028.John C M S, Zahrah T F. A seismic design of undergroundstructuresJ. Tunneling and Underground SpaceTechnology, 1987, 21(1): 65197.Jun Seong Choi, Jong She Lee, Jae Min Kim. Nonlinearearthquake response analysis of 2-D undergroundstructures with soil-structure interaction includingseparation and sliding at interfaceA. 15th ASCEEngineering Mechanics ConferenceC. New York:Columbia University, 2002.Hongbin Huo, Antonio Bobet. Seismic design of cut andcover rectangular tunnels-evaluation of observed behaviorof Dakai station during Kobe earthquakeA. 1995.Proceedings of 1st World Forum of Chinese Scholars inGeotechnical EngineeringC. Shanghai: Tongji University,2003. 456466.John Lysmer, Farhang Ostadan, Chih Cheng Chin. ASystem for Analysis of Soil-structure InteractionM.Berkeley: Geotechnical Engineering Department of Civiland Environmental Engineering, University of California,2000.宰金珉, 宰金璋. 高层建筑基础分析与设计M. 中国:中国建筑工业出版社, 2001.Schnabel, Lysmer, Seed. A Computer Program forConducting Equivalent Linear Seismic Response Analysesof Horizontally Layered Soil DepositsM. s.l.: s.n.,1992. 115.罗奇峰, 那向谦. 1995 年日本阪神地震近场强地面运动的特征J. 西北地震学报, 1997, (3): 5255.1日本的财政年度是从每年4月1日起到下一年3月31日止。 i本文所用全部资料均来自日本相关政府网站。 内容摘要：从机构设置、立法、规划、资金投放情况等方面对阪神大地震的灾后重建工作进行了梳理，并引出对四川大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任；重建工作要重视发挥地方政府的作用；重建规划应按照轻重缓急统筹进行；产业复兴要把产业结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。 发生于1995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、直接经济损失将近十万亿日元的巨灾。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。 一、机构设置 震灾发生大约一个月之后，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。 一是成立了“阪神淡路复兴委员会”。该委员会成立于1995年2月15日，由7名委员和两名特别顾问组成。原国土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四担任特别顾问，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位知名专家学者。委员会的工作期限为一年，职责是作为总理的咨询委员会，为灾后重建工作提出方针和思路。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。 二是中央政府成立了“阪神淡路复兴对策本部”。该本部成立于1995年2月24日，总理亲自担任本部长，副本部长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部成员。该本部的设立依据是与其成立同一天通过的“关于阪神淡路大震灾复兴的基本方针及机构的法律”，该项法律是有效期5年的时限立法，因此本部的活动期限也相应为5年。该本部根据前述委员会提出的建议和意见，同年4月28日公布了“阪神淡路地区的重建复兴思路与当前的政策措施”，7月28日公布了“阪神淡路地区的复兴实施方针”。在2000年2月该本部撤销之后，为了继续推进中央政府对灾后重建的支援、协调中央政府相关各部门之间的工作，又设立了“阪神淡路大震灾复兴相关省厅联络会议”。 三是地方政府成立了“阪神淡路大震灾复兴本部”。该本部成立于1995年3月15日。由于地震的重灾区集中在兵库县南部地区，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库县知事出任本部长。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。 四是在“阪神淡路复兴委员会”的任务完成之后，为了加强中央与受灾地方政府之间的协调，设置了国家、兵库县、神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10次会议，就灾后重建工作中的有关事项进行协商。 二、立法 震灾发生后，日本在1995年2-3月间紧急通过了16项特别立法，作为灾后重建及震灾善后工作的法律依据。这些法律分别涉及居民与企业税收的减免、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、发行特别国债、实施特别财政转移支付、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容。例如，“关于为应对阪神淡路大震灾的特别财政援助的法律”（简称特别财政援助法），就是划定灾区的一定范围，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。 兵库县方面曾经希望中央政府参照1923年关东大地震时的做法，制定“阪神淡路震灾复兴特别措施法”，由中央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，阪神震灾的灾害规模比关东大地震要小，而且“严重灾害特别财政援助法”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。 三、复兴规划 从1995年5月开始，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。成立了由各界专家学者50人组成的“阪神淡路震灾复兴规划制定调查委员会”，成员包括都市工学、经济政策、社会福利、医疗、文化等领域的专家，设立了城市、产业与就业、医疗保健社会福利、生活文化教育四个分会。1995年6月，委员会向兵库县知事提出了“复兴规划的理念与目标”、“复兴规划的框架”、“复兴事业规划”、“复兴事业推进面临的主要问题”等四个方面的建议。在此基础上，1995年7月“阪神淡路震灾复兴规划”正式完成并公布。该规划的要点如下： 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。 规划的基本理念是“构建人与自然、人与人、人与社会和谐的共生社会”。 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）形成多核网络型都市圈。 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。 提出灾后重建需要紧急应对的事项为：对灾民生活的支援；废墟和瓦砾的处理；公路与港口的修复；社会福利设施和文教设施的修复重建。 另外，根据“阪神淡路复兴委员会”的建议，将复兴10年规划中的前5年中特别紧急与必需的事项作为“复兴特别事业”，中央政府给予特别的政策支持。 复兴规划的制定过程中对公众参与给予了高度的重视。从震灾发生后一个月的1995年2月开始，兵库县就开始号召居民组织“社区复兴论坛”和分区域的“县民复兴论坛”，共搜集到来自居民的意见和建议达800项左右。另外，经团联、日本建筑学会、学者自发组织的研究会等各种学会、政党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。 在震灾复兴规划制定之后，兵库县政府又针对需要在短期内快速实施重建的住宅、产业和基础设施三个领域分别制定了“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1995年5月提出的政策建议，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。 四、灾后重建的资金投放情况 根据兵库县组织的对灾后十年重建工作的总结资料，灾后重建复兴事业的总事业费为16.3万亿日元，其中来自中央政府的资金占50%。中央财政资金的80%是前五年投放的。 震灾发生后，日本国会迅速通过了1994财政年度1的第二次追加预算，总额为12230亿日元。其中，用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5100亿日元，废墟处理340亿日元，对私营铁路和神户市地铁的修复补贴540亿日元。不仅如此，从1995年4月开始的1995财政年度也于当年5月开始进行了第一次预算追加，总额为14293亿日元，其中用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： (1)应急临时住宅建设等灾害救助费1800亿日元 (2)灾害抚恤金及灾害援助资金贷款1400亿日元 (3)废墟处理费用1700亿日元 (4)防止滑坡、山体崩塌等次生灾害的对策费用1100亿日元 (5)神户港修复重建费6700亿日元 (6)各种基础设施的抢修及重建费用14000亿日元，其中阪神高速公路修复费2100亿日元 (7)提高桥梁等公共设施和官厅设施的抗震性能费用4700亿日元 (8)廉租公营住宅的紧急建设及支援个人住宅建设费用7200亿日元 (9)土地区划整理等城市建设费用2900亿日元 (10)充实保健、医疗和社会福利的费用800亿日元 (11)文教设施抢修及对受灾中小学生的援助费用1500亿日元 (12)经济复兴费用2200亿日元，其中的2000亿日元用于中小企业对策 (13)其它4400亿日元，主要包括农林水产设施的修复与建设、就业对策等 对灾后十年重建的总事业费16.3万亿日元，按照资金来源和用途进行整理的结果如下表所示。这里的用途是按复兴规划的5个基本目标所列的。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。 从资金使用的时间序列数据来看，1994财年到2004财年的资金投放分别为10250、49950、20450、18100、13950、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。 五、阪神淡路大震灾复兴基金 该基金创立于1995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，弥补已有制度规定的不足而创立的。具体而言，在已有的制度规定中找不到可以直接向灾民和受灾中小企业提供援助资