中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600

現(xiàn)階段，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)領(lǐng)域的規(guī)模正在日益擴(kuò)大，這在一定程度上對(duì)我國(guó)交通事業(yè)發(fā)展起到了促進(jìn)作用。雖然我國(guó)的城市軌道交通工程已經(jīng)具有較高的質(zhì)量，但在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，一些軌道的結(jié)構(gòu)還是遭到了嚴(yán)重破壞，而城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不規(guī)范是造成這一現(xiàn)象的主要原因。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)者應(yīng)嚴(yán)格按照城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止城市軌道交通結(jié)構(gòu)遭到地震破壞。

1 編寫規(guī)范的重要性

編寫規(guī)范能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)起到約束作用，然而，就目前情況而言，在我國(guó)城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面缺少專用規(guī)范。結(jié)合已完成的城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)情況以及應(yīng)用情況來看，在進(jìn)行軌道高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常會(huì)參考一些鐵路橋梁與公路的抗震設(shè)計(jì)的理論與規(guī)范，并采用適當(dāng)?shù)姆椒▉硗瓿上嚓P(guān)設(shè)計(jì)工作。相對(duì)而言，在開展地面或地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，參考的是一系列建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與規(guī)范。相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)情況選擇科學(xué)合理的鐵路、公路的抗震規(guī)范，如果只是依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)來選擇相關(guān)規(guī)范，就可能會(huì)使所選規(guī)范與實(shí)際設(shè)計(jì)要求不符，使設(shè)計(jì)的抗震能力不在一個(gè)統(tǒng)一的水平線上。除此之外，與其他普通的工民建筑相比，鐵路或公路橋梁隧道在結(jié)構(gòu)上具有一定的特殊性，具體表現(xiàn)在軌道交通的結(jié)構(gòu)形式、所承受的車輛荷載以及其他約束條件上。因此，需要依據(jù)實(shí)際工程情況以及安全要求編寫針對(duì)性強(qiáng)、適用性強(qiáng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，從而保證所采用的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以更好地匹配實(shí)際建設(shè)要求。

2 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過多年的應(yīng)用，以性能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)獲得了普遍認(rèn)可，并得到了廣泛應(yīng)用。因此，相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也正在由描述性向以性能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的規(guī)范方向轉(zhuǎn)變。就目前的整體情況來看，那些已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范普遍具有一個(gè)相同的特點(diǎn)，即將實(shí)踐作為主要的技術(shù)路線，并歸納之前的一些成功或失敗的經(jīng)驗(yàn)，在以后的設(shè)計(jì)中可以將這些經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)性文件，同時(shí)，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與使用要求編制一些科學(xué)合理的條文，并將這些可以應(yīng)對(duì)不同要求的條文以及文件稱為描述性規(guī)范。另外，從實(shí)際使用情況中可以發(fā)現(xiàn)，這些描述性規(guī)范中存在一些問題，其未對(duì)這些設(shè)計(jì)條文所應(yīng)達(dá)到的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行明確規(guī)定，從而導(dǎo)致在更改相關(guān)規(guī)范的過程中常常會(huì)涉及一些難以變動(dòng)的強(qiáng)制性的規(guī)定。這會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)者產(chǎn)生一定的制約作用，阻礙其充分發(fā)揮設(shè)計(jì)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。與此同時(shí)，描述性規(guī)范中通常不包含一些非常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此其適用范圍相對(duì)較小。相對(duì)建設(shè)方而言，其在使用描述性規(guī)范時(shí)缺少足夠的選擇空間，以至于在進(jìn)行一些關(guān)于抵抗自然災(zāi)害的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，描述性規(guī)范與其不相適應(yīng)，這也會(huì)給設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)工作帶來一定的復(fù)雜性。

20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)以性能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，該設(shè)計(jì)理念的提出者是一位工程師，而該設(shè)計(jì)理念被正式應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)中是在1996年。20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了幾次破壞性較強(qiáng)的地震現(xiàn)象，抗震設(shè)計(jì)理念的可行性以及實(shí)用性開始引起人們重視。在此基礎(chǔ)上，越來越多的研究者開始對(duì)抗震設(shè)計(jì)理念進(jìn)行更深層次的研究。隨后，越來越多的國(guó)家開始重視以性能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，關(guān)注其實(shí)際應(yīng)用情況。日本和美國(guó)以及一些其他國(guó)家也都開始對(duì)此開展了專門研究，其研究方向也從描述性規(guī)范向基于性能設(shè)計(jì)的規(guī)范推進(jìn)。在我國(guó)，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也有著漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。2004年我國(guó)推出了《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》，這一規(guī)范在推動(dòng)我國(guó)基于性能工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。除此之外，基礎(chǔ)性能抗震設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范已經(jīng)在日本的一些鐵道抗震設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，并獲得了較好的應(yīng)用效果。與此同時(shí)，美國(guó)也先后出版了一些不同版本的設(shè)計(jì)指南及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件，其大多以基于性能抗震設(shè)計(jì)規(guī)范為主。由此可見，基于性能的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在很多國(guó)家都已經(jīng)獲得了明顯的應(yīng)用效果。我國(guó)也應(yīng)對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范編寫工作給予足夠重視，同時(shí)結(jié)合當(dāng)下時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)軌道交通的實(shí)際建設(shè)情況，對(duì)其進(jìn)行完善與改進(jìn)，以便更好地滿足當(dāng)下城市軌道交通的設(shè)計(jì)要求，提高相關(guān)工程的抗震指數(shù)。

3 設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)要點(diǎn)分析

3.1 地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

在開展地下車站或者是一些區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常會(huì)根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來選擇合適的計(jì)算方法。比較常用的方法有反應(yīng)位移法、加速法、時(shí)程分析法。其中，反應(yīng)位移法主要是以地震發(fā)生時(shí)四周的土層變形程度作為地震荷載判斷依據(jù)，其對(duì)于地震發(fā)生時(shí)的地下結(jié)構(gòu)震動(dòng)特點(diǎn)具有較高的適應(yīng)性；而加速法則主要是將土地劃分成二維平面應(yīng)變單元后再進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算工作，因此其可以在不計(jì)算地基彈簧的情況下對(duì)土地開展線性分析工作，從而在一定程度上避免相關(guān)反應(yīng)給地基彈簧剛度計(jì)算帶來誤差，提高計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，保障地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

在圍繞隧道縱向地震反應(yīng)面的設(shè)計(jì)問題開展相關(guān)工作時(shí)，比較常用的方法是反應(yīng)位移法。其使用依據(jù)主要是城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范。在隧道發(fā)生地震現(xiàn)象時(shí)，其土層通常被劃分為兩個(gè)方向上的分量，分別與隧道縱軸平行和與隧道縱軸垂直。在這二者中，與隧道結(jié)構(gòu)周圍土層平行的變形稱為平行分量，其中既包括拉伸變形又包括壓縮變形，同時(shí)還會(huì)因變形而產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。與隧道縱軸垂直的分量通常會(huì)使其結(jié)構(gòu)四周的土層發(fā)生與隧道軸線平行或垂直方向上的對(duì)應(yīng)變形。在此變形過程中，隧道也會(huì)因此產(chǎn)生撓曲應(yīng)力。在對(duì)隧道縱向地震的反應(yīng)效果進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須綜合考慮平行和垂直兩個(gè)方向上的分量變形，并對(duì)因變形而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及撓曲應(yīng)力的數(shù)值進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算，從而為軌道交通抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

對(duì)時(shí)程成分析法的具體應(yīng)用情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其不但具有較高的計(jì)算精度，而且充分考慮到了非線性的問題，可以對(duì)土體進(jìn)行非線性分析。正是因?yàn)闀r(shí)程分析法具有這兩大特點(diǎn)，其在具體使用過程中往往會(huì)涉及多方面的專業(yè)知識(shí)以及操作技能，這也對(duì)使用者的個(gè)人素質(zhì)提出了更高的要求。相關(guān)使用者必須具有較高的專業(yè)素養(yǎng)，才能夠更好地發(fā)揮時(shí)程分析法的計(jì)算效果。同時(shí)，時(shí)程分析法在實(shí)際操作過程中也具有一定的復(fù)雜性。因此，這種方法只適用于一些具有特殊要求的計(jì)算情況，在日常設(shè)計(jì)計(jì)算中并不常見。但在城市軌道交通抗震設(shè)計(jì)方面，時(shí)程分析法主要用來計(jì)算一些地震結(jié)構(gòu)反應(yīng)，特別是出現(xiàn)一些不能利用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法來得出相關(guān)計(jì)算結(jié)果時(shí)，可以使用時(shí)程分析法來達(dá)到靈活計(jì)算的目的。

3.2 地面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行地面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，主要有兩種設(shè)計(jì)方法，分別是線性反應(yīng)譜方法和彈塑性反應(yīng)譜方法。線性反應(yīng)譜方法在經(jīng)過幾十年的實(shí)際應(yīng)用后，在計(jì)算方法以及基本理論方面都比較成熟，經(jīng)過幾十年的檢驗(yàn)，該種方法被認(rèn)為是一種既簡(jiǎn)單又可靠的設(shè)計(jì)方法。與此同時(shí)，從實(shí)際的設(shè)計(jì)情況來看，大多數(shù)工程設(shè)計(jì)師對(duì)線性反應(yīng)譜方法的熟悉度與認(rèn)可度比較高，因此該種方法在地面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也比較廣泛，在相關(guān)人員選擇設(shè)計(jì)方法時(shí)，具有一定的優(yōu)先性。彈塑性反應(yīng)譜方法主要是通過彈塑性效應(yīng)來對(duì)彈塑性反應(yīng)進(jìn)行相關(guān)分析工作。對(duì)目前城市軌道交通的建設(shè)情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，一些比較簡(jiǎn)單的梁式結(jié)構(gòu)被普遍應(yīng)用于我國(guó)很多高架的區(qū)間結(jié)構(gòu)中，并且絕大多數(shù)的慣性質(zhì)量都來源于上部結(jié)構(gòu)，最終集中在墩頂。結(jié)合已經(jīng)推出的相關(guān)研究理論來看，在進(jìn)行該類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常只要完成第一振型的計(jì)算便能滿足相關(guān)要求。與此同時(shí)，在高級(jí)區(qū)間結(jié)構(gòu)中，其塑性鉸的發(fā)生部位大多位于墩頂和墩底，這會(huì)給開展識(shí)別工作和預(yù)先設(shè)計(jì)工作帶來一定便利。因此，彈塑性反應(yīng)譜法可以應(yīng)用于大多數(shù)高價(jià)區(qū)間結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中。由此可見，在開展抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的編寫工作時(shí)，應(yīng)通過多方面渠道來進(jìn)行資料收集，對(duì)國(guó)內(nèi)外的一些強(qiáng)震記錄進(jìn)行全方位了解，然后再對(duì)收集到的相關(guān)資料進(jìn)行整理與分析，從而得出不同場(chǎng)地環(huán)境和不同周期分區(qū)相應(yīng)的減系數(shù)計(jì)算方法，得到與彈性反應(yīng)譜大致相同的統(tǒng)計(jì)意義。與此同時(shí)，如果出現(xiàn)無論是線性反應(yīng)譜法還是彈塑性反應(yīng)譜法都無法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的特殊情況，則應(yīng)采用時(shí)程分析法對(duì)具體的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)束語

綜上所述，城市軌道交通作為我國(guó)現(xiàn)階段的重要交通工具，確保其結(jié)構(gòu)抗震安全對(duì)我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的公路和鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行完善，從而使我國(guó)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的抗震性得到顯著提升。