地铁抗震课件

1、初涉地铁抗震 自从1863年英国伦敦诞生了第一条地铁以来，地铁建设不断发展，世界上各大城市都先后兴建了地下铁道。在国内，虽然城市建设起步较晚，但已拥有和正在建设地下铁道的城市越来越多，继北京、天津、上海、广州等城市后，南京、深圳、青岛、杭州、大连等城市的地下铁道已纷纷在建设或筹建中。地下铁道建设的蓬勃发展使地铁的 抗震设计问题凸显出来 我国地处于环太平洋地震带上，地震活动性频繁而强烈，是世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

2、以上的地区，如北京、天津、西安等人城市都位于8度的高烈度地震区. 令人担忧的是，我国对地下铁道抗震 问题的研究在理论上和实验方面均没有引起足够的重视，与此相关的抗震设计规范仍主要停留在简单的惯性荷载法阶段，现有的建筑结构设计规范和地铁设计规范中关于地下结构抗震设计的条款也只有比较简单的描述。 回顾国内外20世纪的一些典型的重大地震如1948年的阿什哈巴德地震、1966年的塔什干地震、1976年的唐山地震和加兹里地震、1985年的墨西哥地震以及1995年的阪神地震，无一不是由于疏忽抗震设计或抗震设计不当而带来的惨痛教训，它们对地下结构造成的严重破坏对现行 地下铁道的设计敲响了警钟!地震破坏唐山大

3、地震后被震弯的铁路地震破坏的阪神高速公路 近年来，随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构抗震问题日益受到人们的重视。特别是1995年日本阪神地震(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)后，世界各国尤其是日本的地震学者对地下铁道遭受震害问题尤为关注，他们纷纷针对区间隧道和地铁车站的震害，研究导致震害的主要原因，并据以建立分析理论，提出设计方法，使得地下铁道的抗震研究出现了前所未有的热潮。一、地下铁道车站的震害 在阪神地震中，神户市地铁多数车站有震害现象发生，尤其是大开车站和上泽车站破坏最为严重，混凝土中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、

4、侧墙开裂等破坏 现象随处可见。其他车站的中 柱、顶板、楼板和侧墙部位亦有破坏现象，但总体来说，破坏较为轻微。神户高速铁道大开车站的震害情况如图1所示。二、明挖区间隧道的震害 明挖区间隧道的典型结构形式为单层双跨箱形结构，因而震害表现形式与地下铁道车站有很多相似之处，但总体受灾程度比车站要轻微一些。浅埋地段隧道震害较为严重，中柱受灾程度比其他构件严重，区间段接缝部位有明显垂直裂缝出现，部分混凝土剥落，可见内部钢筋。与受灾严重车站相连的区间隧道段内，顶板与底板间的相对位移较大。三、盾构区间隧道震害 神户市盾构地铁隧道仅04km，覆土厚914m，由于这段盾构隧道修建于上世纪80年代，投入运营时间较短

5、，且 穿越地层状况良好，延伸距离也较短，其震害较轻，因此不能完全说明盾构隧道的抗震性能。但神户市五条排污盾构隧 道震害明显严重，隧道段有不均匀沉降出现。混凝土管片接头处混凝土脱落，渗漏现象严重。围岩结构自身的地震稳定性地铁结构要比地面结构安全得多 众所周知，对于同一程度的大地震动而言，如果仅论及结构的惯性力，地铁结构要比地面结构安全得多。这是因为地铁结构处于周围地层的约束之中，并与地层一起运动。因而，地铁结构在地震运动过程中，仅仅按照其相对于地层的质量密度和刚度分担一部分地震变形和荷载，而不像地面结构那样，承担全部的惯性作用力。 就地铁结构的横向而言，区间隧道结构遭受地震惯性力破坏的发生概率较

6、低; 而处于地层约束较弱的车站和浅埋结构，破坏发生的概率一般较高。 调查表明，区间隧道结构之所以有惯性力破坏的现象发生，主要是由于隧道结构与地层之间出现了较大的空隙而削弱了地层的约束作用。因而实际上相当于提高了衬砌结构的相对质量密度，造成其分担的地震惯性力超过了极限。 因此，试验和实测都表明回填密实有利于地下结构抗震。 在土质地层中，由于地铁结构的刚度一般比地层大，往往形成对地层变形的约束。 因此，衬砌刚度越大，其吸收的变形能就越大，由此地铁的震害往往表现为由于地层的地震动变形所致。故此得出结论 衬砌越柔，越有利于抗震。 但这样一来，围岩自身的地震稳定性往往成为控制因素。 因此，只检算地铁结构

7、本身的抗震稳定性是不够的，在检算结构抗震稳定性的同时，也要检算围岩自身的地震稳定性。阪神大地震研究结果表明地下结构与地面结构反应特性的差异 (1) 地下结构的振动变形受周围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; (2)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； (3)地下结构在振动中各点的相位差别十分明显; (4)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。地下铁道抗震研究现状综述 虽然地下结构的抗震理论是

8、随着地面建筑抗震理论的发展而发展的，但由于地下结构的地震响应非常复杂，不能简单地等同于离散惯性质量体系。因此，对地下结构抗震分析的研究，其进展显得异常艰难。 20世纪50年代以前，日本学者大森房吉提出的著名的静力理论，成为国内外地下结构抗震设计的基础。 60年代初，前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构(即后来所称的“拟静力法”)，得出了地下结构地震力的解析解和近似解。 60年代末，美国旧金山海湾地区快速运输系统(BART)的地震抗震设计准则以及美国南加州洛杉矶捷运系统(9Cl订D)的捷运计划地下结构设计规范中都已采用反应位移模型进行初步设计中的抗震计算，必要时则采用惯性力法验算横截面的

9、安全性。他们提出了地下结构并不抵御惯性力而是具有吸收变形的延性，同时还不散失其承受静载荷力等新的设计思想，并以此为基础提出了抗震设计标准。 70年代，日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验，建立了具体的数学模型，并结合波的多重反射理论，提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力系数法等实用计算方法，使地下软基隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展。值得一提的是，日本沉管隧道抗震设防规范和日本沉埋隧道抗震设计指南(1975年)已经规定了对隧道进行地震变形验算的条文，并给出了验算方法可供参考。 80年代末9ID年代初，JPWolf和CMs。又提出了递推衍射法纵观国内外学者在地下铁道抗震方面的

10、研究，3种最基本的研究途径： 一、地震观测 二、模型实验 三、理论分析1)地震观测研究 该法通过现场实地量测，研究地下铁道在地震过程中所表现出的各种动力特性。地震观测研究结论直观，具有一定的参考价值。但目前，强震观测所取得的地震动资料仍主要限于地表面，对地下深部所取得的资料十分有限，这是地震动观测中的薄弱环节，也是地下结构抗震设计中的困难所在。2)模型实验研究 该法广泛应用振动台实验，通过模拟现场地震情况，可以较好地把握地下铁道的地震反应特性以及地下铁道与地基之间的相互作用特性等问题。，基本思路是，通过试验对拟定结构的加速度放大系数、压力与位移响应进行分析，讨论地下结构对竖向地震激励的响应，以

11、及在不同埋深下，土与地下结构的相互作用对地下结构抗震性能的影响，从而找到一些大跨度大断面地下结构的动力响应分布规律。3)理论分析研究1)解析法 应用弹性地基梁理论，建立了地下结构的纵向振动频响函数方程，并将地震运动作为随机过程。 有效应力动力分析方法。 利用可考虑盾构法隧道衬砌接头协同受力的等效连续化计算模型，建立了在地震行波和地震引起不均匀沉降作用下隧道弹塑性受力分析的简化方法。2)数值法 用等效静载反映地震波对围岩与衬砌结构的作用。 有限元和无限元耦合分析法来解决地下铁道抗震问题。 释放荷载的方法进行了平面有限元静力计算。 基于有效应力动力分析法，运用二维显式有限差分程序FLAC对地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力响应进行数值分析。 采用动力有限元一双渐近多向透射边界方法计算了软土地层中盾构隧道的地震响应解析法 VS 数值法 无论是解析法还是数值分析方法，在具体分析中，应该按照不同的设计阶段来选用不同的方法。 建议在地下铁道的初步设计阶段，抗震检算可用静力法中的反应位移模型和地震惯性模型结合进行。而在详细设计(包括技术设计和施工设计)阶段，则应用动力模型进行抗震检算。慨括地说，在初步设计阶段，用反应位移模型检算其横、纵断面的抗震稳定性，并用惯