地鐵建設(shè)中應(yīng)充分考慮抗地震作用.doc

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1、地鐵建設(shè)中應(yīng)充分考慮抗地震作用摘 要 地下結(jié)構(gòu)一直被認為具有良好的抗震性能。1995年阪神大地震發(fā)生之前,很少有大型地下結(jié)構(gòu)在地震中嚴重破壞的報道。然而,阪神大地震中,包括諸如地鐵車站及區(qū)間隧道等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大量大型地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重的破壞,使人們對地下結(jié)構(gòu)的抗震安全性產(chǎn)生懷疑。初步研究表明,地下結(jié)構(gòu)具有不同于地面結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞特征,在某些情形下,同樣會發(fā)生嚴重甚至強于地面結(jié)構(gòu)的破壞。關(guān)鍵詞 地震 地鐵 破壞1前言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市人口的激增,地面交通愈來愈不堪重負。為了減少地面交通量,人們開始尋找新的交通模式,地鐵應(yīng)運而生。自北京建成地鐵以來,目前我國天津、上海、廣

2、州已相繼建成地鐵1號線,南京、青島、大連、深圳等城市正積極開展修建地鐵的籌備工作。據(jù)不完全統(tǒng)計,在全國21個百萬人口以上的城市中將籌建33條總長為649km的地鐵和輕軌。幾條海底隧道和過江隧道也正在積極論證中。我國地處于環(huán)太平洋地震帶上,地震活動性非常頻繁,是世界上最大的一個大陸淺源強震活動區(qū)。根據(jù)現(xiàn)行地震烈度區(qū)劃圖,我國大部分地區(qū)為地震設(shè)防區(qū),在全國300多個城市中,有一半位于地震基本烈度為7度乃至7度以上的地震區(qū),23個百萬以上人口的特大城市中,有70%屬7度和7度以上的地區(qū),像北京、天津、西安等大城市都位于8度的高烈度地震區(qū),南京也位于7度區(qū)內(nèi)。地震對地面結(jié)構(gòu)所造成的破

3、壞是人所共知的,地面結(jié)構(gòu)的抗震研究也達到實用階段,各國已制訂了各種地面結(jié)構(gòu)物的抗震設(shè)計規(guī)范;對地下結(jié)構(gòu)的地震破壞卻知之不多,地下結(jié)構(gòu)的抗震研究才剛剛開始,現(xiàn)在還沒有地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的規(guī)范。國內(nèi)除了對地下管線的抗震作過一些分析外,對于像地鐵車站及區(qū)間隧道等這樣的大型地下結(jié)構(gòu)很少涉及。這是因為:和地面結(jié)構(gòu)相比,面波隨著埋深的增加急劇衰減,對地下結(jié)構(gòu)的影響較小;地下結(jié)構(gòu)周圍的巖土介質(zhì)把從震源傳來的地震波能量中的高頻成分吸收,使地下結(jié)構(gòu)受到的地震荷載大大減小;同時地下結(jié)構(gòu)的數(shù)量不多,并且大部分是小型地下結(jié)構(gòu)如地下管線等,因而地下結(jié)構(gòu)震害數(shù)量較少,程度較輕,地下結(jié)構(gòu)嚴重震害事例更是寥寥

4、無幾。工程界只片面強調(diào)地下結(jié)構(gòu)受四周地層制約、抗震性能較好的一面,人們簡單認為地下結(jié)構(gòu)在地震時是安全穩(wěn)固的,致使地下結(jié)構(gòu)抗震研究嚴重滯后于地面結(jié)構(gòu)抗震研究。隨著地下空間開發(fā)和地下結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)模的不斷加大,地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及其安全性評價的重要性、迫切性愈來愈明顯。2地下結(jié)構(gòu)在地震中的動態(tài)反應(yīng)特性4地下結(jié)構(gòu)在地震作用下,由于周圍巖土介質(zhì)的存在,會發(fā)生不同于地面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。地震以地震波的形式傳播能量,當(dāng)?shù)卣鸩◤幕鶐r傳入場地時,土壤介質(zhì)在地震波的作用下,會產(chǎn)生運動(通常是放大作用),同時將運動傳遞給地下結(jié)構(gòu)。對于小斷面地下結(jié)構(gòu),在動力荷載作用下,土結(jié)構(gòu)相互作用可以忽略,此時地下結(jié)構(gòu)隨

5、自由場土介質(zhì)一起運動,因而動應(yīng)力較小。而當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)存在明顯的慣性或者土-結(jié)構(gòu)間的剛度失配時,地下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生過度變形導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)的破壞。此時,地下結(jié)構(gòu)與周圍巖土介質(zhì)之間會發(fā)生運動相互作用和慣性相互作用??紤]動力相互作用對結(jié)構(gòu)體系的影響主要有:(1)作用在土結(jié)構(gòu)體系的地震輸入運動會發(fā)生變化;(2)由于土的存在,體系變得更加柔性,使結(jié)構(gòu)感覺到的輸入相當(dāng)小;(3)從結(jié)構(gòu)物向外傳播的波能輻射會增加最終動力體系的阻尼,對于近似彈性半空間的土壤場地,這種阻尼的增加很明顯,導(dǎo)致動力反應(yīng)急劇降低。根據(jù)大量的地震觀測,發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性的差異主要表現(xiàn)為:(1)地下結(jié)構(gòu)的振動變形受周圍

6、地基土壤的約束作用顯著,結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)一般不明顯表現(xiàn)出自振特性,特別是低階模態(tài)的影響;(2)線形地下結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)受地震波入射方向的影響較大,入射方向發(fā)生不大的變化,地下結(jié)構(gòu)各點的變形和應(yīng)力可以發(fā)生很大的變化;(3)地下結(jié)構(gòu)在振動中各點的相位差別十分明顯;(4)地下結(jié)構(gòu)在振動中的主要應(yīng)變一般與地震加速度大小的聯(lián)系不很明顯,對地下結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)起主要作用的因素是地基的運動變形,而不是地基加速度。地下結(jié)構(gòu)的破壞有以下主要特征:(1)地下結(jié)構(gòu)的震害多發(fā)生在地層條件有較大變化的區(qū)域,如地層由硬質(zhì)到軟質(zhì)的過渡地帶,或由挖土到填土的過渡地帶。在這些區(qū)域內(nèi),由于區(qū)域、地質(zhì)條件的變化或地形的變

7、化,地層振動及位移響應(yīng)也有較大不同,因而在其中產(chǎn)生大的應(yīng)變,使地下結(jié)構(gòu)遭受破壞。相反,若某一地區(qū)地層較為均勻,即使地震中的烈度較大,其中的地下結(jié)構(gòu)也往往會較為安全。這一點不同于地面結(jié)構(gòu)。(2)在結(jié)構(gòu)斷面形狀和剛度發(fā)生明顯變化的部位也容易發(fā)生破壞。墨西哥地震中發(fā)生的盾構(gòu)法隧道與豎井連接部的環(huán)間螺栓被剪斷即是由于結(jié)構(gòu)斷面的急劇變化而使不同斷面處產(chǎn)生了不同的響應(yīng)的結(jié)果。因此,地下結(jié)構(gòu)與豎井、樓房等的結(jié)合部,地下結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生突變處,地下與地面結(jié)構(gòu)的交界處如隧洞的進出口部位,隧洞的轉(zhuǎn)彎部位及兩洞相交部位,均為抗震

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