日本阪神地震地鐵工程的震害分析

TTMSsystemofficeroom【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-TTMSHHJ8】【提要】日本阪神地震對開挖式施工的地鐵工程造成嚴重震害。作者認為豎向地文采用沖量原理豎向地震作用，能較好地解釋，造成了嚴重震害。有的因柱子被壓碎，而造成地面塌陷。日本大林組技術所關于兵庫縣南部地震的調查資料介紹了三宮段尚未壓坍的結構典型破壞(圖1)。文中還介紹了一些與震害輕重有關的因素，其中很重要的一點是:地構上部土層厚度越厚，震害越輕。如圖1中站房的上層中柱，土層厚度僅為3m震害卻比埋深8m的線路段中柱破壞重得多，柱子中間部份幾乎壓碎，而線路段柱僅在中間位置出現(xiàn)豎向裂縫。這種特點是很值得分析的。作用造成破壞。而且破壞特征多為豎向開裂，更不是由水平地震作用所致。程設計時。用墓本計算公式為[1]:FEVa:G力可化至G1和G2，也可略去)。結構及土層總重為:G=G1+G2。土層厚度化為等效的混凝土厚度。取土的重力密度vkNm,混凝土的vc=25kN/m8，則等效厚度h=8mx18/25=5.76m。此時，上部土層及頂板的總厚度H1=5.76m+0.8m=6.56m,底板厚度H2=1.0m。在用公式(1),式(3)計算時，便可用H1代G1,H2代G2。3水平加速度，即av=640ga1，av=重力。按舊規(guī)范單一安全系數(shù)法，受壓構件安全系數(shù)上豎向地震力，已達到了極限狀態(tài)，柱子產(chǎn)生豎向裂縫是必然震害G用上述同樣方法，可計算出上柱及下柱豎向地震力及豎向地，列于表1.為倍，均超過了允許強度。性能較好，才米破壞。日本大林組技術研究所調查報鋼筋混凝土柱時，也發(fā)生了破壞，但比上柱為輕，僅表FEViGi與靜重力之和為(AxBxvc)，而下柱僅為(AxB次闡明:豎向地震力不是結構底部最大，當n>值，也不是在結構根部。分析各類結構的震害點。這一概念應當引起注意。mm房上柱震害m向地震力與靜重力的比值，以及各種情況豎向地震力絕對值的相對厚度對震害的影響。計算結果列于表2。從表2中可以看出，土其比值已小于3000，一般不會發(fā)生震害。m震力絕對值為10000,25m厚時才12300，可見豎向地震力的絕對值增加較小。沖量原理計算豎向地震作用，基本上反映了震害特。在此，可以得出以下幾點概念:豎向地震力與靜重力之和，大于下柱，其震害上柱必然偏重。度大于20m時，一般不會發(fā)生震害。.地下結構必須考慮豎向地震作用，通過計算判斷抗豎向地震作用的能力?！?〕楊春田、于淑琴，煙囪在豎向地震作用下計算方法的探討，《特種結構》1989,2M11日來源：互聯(lián)網(wǎng)核心提示：破壞的道。然而，阪神大地震的道。然而，阪神大地震中，包括諸如地鐵結構在內的大量大型地下結構出現(xiàn)嚴重的破壞，使人們對地。初步研究表明，地下結構具有不同于地面結構的情形下，同樣會發(fā)生嚴重甚至強于地面結構的破壞。地面交通愈來愈不堪重負。為了減少地、青島、大連、深圳等城市籌備工作。據(jù)不完全統(tǒng)計，在全國21個百萬人口以上的城為649km的地鐵和輕軌。幾條海底隧道和過江隧道也正在積論證中?；顒有苑浅ｎl繁，是世界上最大的一個大陸度區(qū)劃圖，我國大部分地區(qū)為地震設防區(qū)，在0%屬7度和7度以上的地區(qū)，像北京、天津、西8度的高烈度地震區(qū)，南京也位于7度區(qū)內。人所共知的，地面結構的抗震研究也達到實用物的抗震設計規(guī)范;對地下結構的地震破壞卻構很少涉及。這是因為：和地面結構相比，面波隨著埋深的增頻成分吸收，使地下結構受到的地震荷載大大減小;同時地下并且大部分是小型地下結構如地下管線等，因而地下結構震害輕，地下結構嚴重震害事例更是寥寥無幾。工程界只片面強調層制約、抗震性能較好的一面，人們簡單認為地下結構在地震致使地下結構抗震研究嚴重滯后于地面結構抗震研究。隨著地結構建設規(guī)模的不斷加大，地下結構的抗震設計及其安全性評價的重要性、迫切性愈來愈明顯。應特性周巖土介質的存在，會發(fā)生不同于地面結構的響的形式傳播能量，當?shù)卣鸩◤幕鶐r傳入場地時，土壤介質在地產(chǎn)生運動，同時將運動傳遞給地下結構。對于小斷面地下結構下，土結構相互作用可以忽略，此時地下結構隨自由場土介質應力較小。而當?shù)叵陆Y構存在明顯的慣性或者土-致地下結構的破壞。此時，地介質之間會發(fā)生運動相互作用和慣性相互作用?？紤]動力相的影響主要有：作用在土結構體系的地震輸入運動會發(fā)生變化體系變得更加柔性，使結構感覺到的輸入相當小;從結構物向外這種阻尼的增加很明顯，導致動力反應急劇降低?，F(xiàn)地下結構與地面結構反應特性的差異主要表現(xiàn)為：地低階模態(tài)的影響;線形地下結構的振動形態(tài)受地震波大，入射方向發(fā)生不大的變化，地下結構各點的變形和應力可;地下結構在振動中各點的相位差別十分明顯;地下結構在振般與地震加速度大小的聯(lián)系不很明顯，對地下結構動力反應起主要作用的因素是地基的運動變形，而不是地基加速度。：地下結構的震害多發(fā)生在地層條件有較大變化硬質到軟質的過渡地帶，或由挖土到填土的過渡地帶。在這些、地質條件的變化或地形的變化，地層振動及位移響應也有較中產(chǎn)生大的應變，使地下結構遭受破壞。相反，若某一地區(qū)地地震中的烈度較大，其中的地下結構也往往會較為安全。這一。在結構斷面外形和剛度發(fā)生明顯變化的部位也輕易發(fā)生破發(fā)生的盾構法隧道與豎井連接部的環(huán)間螺栓被剪斷即是由于化而使不同斷面處產(chǎn)生了不同的響應的結果。因此，地下結構結合部，地下結構斷面發(fā)生突變處，地下與地面結構的交界處如隧洞的進出口部位，隧洞的轉彎部位及兩洞相交部位，均為抗震的薄弱環(huán)節(jié)。，當?shù)叵陆Y構穿越斷層地域或結構與斷層、軟弱帶相交的部位等時，也都易對地下結構造成破壞。大型地下結構在地震中遭受嚴在神戶市內2條地鐵線路的18座車站中，神戶高速鐵道的大開站、部分，神戶市營鐵道的三宮站、上澤站、新長壞。在：它們都位于烈度為7的地區(qū);它們在建造時柱的箱涵形框架結構;它們的原設計中歸納起來，神戶地鐵結構的破壞有以下主要特點：發(fā)生的破壞比對稱結構嚴重。破壞嚴重。生在中柱上，出現(xiàn)了大量裂縫，有斜向裂縫，也有豎向裂縫，有位于中間的;柱表層混凝土發(fā)生不同程度的脫半中柱因斷裂而倒塌。有橫墻處，中柱破壞較輕。地下結構上部土層厚度越厚，破壞越輕。站房上層中柱的中間部位幾乎壓碎，而線路段中柱僅在中間位置出現(xiàn)豎向裂縫。大量的斜向裂紋，非凡是在角點部位。頂板、側墻也受到程度與中柱密切相關;當中柱破壞較為嚴重時，頂板墻就會出現(xiàn)很多裂縫，以至坍塌、斷裂等。曲裂縫。在接頭下端也有損壞。究的初步結論者對地震破壞展開系統(tǒng)的研究。其中對地下結構破壞分析和數(shù)值模擬等多種途納為以下幾點：地震時相鄰地層間的相對位移是影響破壞較輕，這與實際震害相符。在水平地震動作用下，地下結態(tài)下所沒有的較大的水平剪力和彎矩，使中柱中的剪力超過切破壞，中柱的破壞是整個地鐵結構破壞的根本原因。豎向震增加，水平震動和豎向震動的共同作用加劇抗震的薄弱環(huán)節(jié)———是應考慮動產(chǎn)生的內力的共同作用，不應僅將結構中軸力彎矩等內力行校核。由于地層條件及截面尺寸的變化，在相鄰地層、相鄰相對位移對結構內力的影響也不能忽視。這與美國60年代修快速地鐵運輸系統(tǒng)時，所得到的地鐵震害是由于土體的地震構，從而使結構產(chǎn)生應力和位移，最終導致地下結構破壞的設計經(jīng)驗是一致的。避免地震破壞的措施一個具有較強的抗震性能，地震中不易遭受破壞。但通過對這個問現(xiàn)，城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)以及地下結構的大量建設是排水管道，數(shù)量不多，分布也不廣泛。近年來，隨著城市地下地鐵系統(tǒng)、盾構法隧道、地下商業(yè)街、地下停車場及共同溝等地下結構基本上還未曾經(jīng)歷過大的地震，它們真正的抗震性能。因此并不能簡單地認為地下結構抗震性能好、地震中不易破壞。5年阪神大地震所證實。這次地震不僅使城市生命線工程遭到嚴區(qū)間隧道等大型地下結構也受到破壞，其中產(chǎn)生了地鐵車站。阪神地震使工具體評價地下結構抗震安全性，加強研究地下結構的抗震空間開發(fā)利用的21世紀，具有重要的理論意義和工程實用價值。地鐵，不僅會使經(jīng)濟上蒙受嚴重損失，同時會產(chǎn)生嚴重的社會和政結構設計成能反抗四周地層介質的地震運動和變形是不可能構具有吸收強變形的延性，能承受四周地層介質的變形，并且能力，而不應是使地下結構抵御慣性力，從而使人們改變以往單純依靠增強結構強度來提高抗震性能的傳統(tǒng)觀點。根據(jù)各國地下結構的震害分析，提高地下結構抗震能力可從以下方面采取措施：砂土地基而減少地震液化;在相同條件下，盡量選條件答應的情況下，盡量采用暗挖法施工，即使用質與地基土類型相似;在結構中柱和梁或頂板的節(jié)時，采用了中柱頂端與橫梁活動連接的方式便是實例。，地下結構在地震時并不是絕對安全的。以前地下結不能說明地下結構在地震時安全。在大力提倡開發(fā)利用地下空間的今天，修建地鐵已成為解決城市交通和城市污染等“城市綜合癥”修建地鐵的城市，其地基狀況并不很好，如南京，地鐵沿痛教訓，防患于地鐵的大城市發(fā)生強烈地震，也能確保地鐵結構的安全和通。集.1994對地下洞室的破壞.地下空間，1992巖石力學與工程學科發(fā)展的若干思考.見：面向國民經(jīng)濟可持續(xù).Cementandconcretecomposites1997.Cementandconcretecomposites1997oshio基于子結構法的地鐵車站地震反應分析車站的破壞情況進行了調查，深入分析了地鐵車站的地震破壞機理。采用二維子結構分析方法(SASSI2000)分別對水平向和豎向地震動作用下神戶大開地進行了數(shù)值模擬分析。在建模時把地鐵車站上方的土體作為車站的附屬SI震害進行了詳細地對比分析發(fā)現(xiàn)所得的地震反應規(guī)律與其震害完全大開地鐵車站的各種震害現(xiàn)象。因此，對地下車站震震害的破壞現(xiàn)有的地下結構并不安全，有時甚至會發(fā)生嚴重的破壞，特別值得下工程均發(fā)生嚴重破壞，其最引人注意的是地鐵車站的破壞最為嚴上的中柱完全坍塌，導致頂板和周圍地層之間通過各種彈簧連接，把由地震變形直接通過文克爾土體彈簧作用于地下結構，把土體質點位移以正弦這種簡化模型的確給地下結構的抗震設計帶來了很大的方便。但是，由下的動力特性非常復雜，又存在地區(qū)的差異性，因此很難準確地確定這荷載作用下的彈簧系數(shù)。同時，該方法沒有考慮結構本身的慣性力，采積分法更是為動力有限元法的發(fā)展和應用提供了動力。近幾年，JunSeongChoi(2002年)等基于大型有限元軟件ANSYS二維有限元整體分析方法對非作用進行了數(shù)值模擬，給出了矩形地下結構內由地震荷載引起的動內考慮豎向地震和水平地震的共同作用，用無限元與有限元的耦合來地震和水平向地震作用下，對在神地震中破壞最為嚴重的大開地鐵車站進行了地震反應分析，對其震害作了算原理決飛機結構這類大型和復雜結構的有限元分析問題而建立于共同作用分析。用子結構法計算土與結構的動力相互作用問題是一在這個方法中，把線性的土與結構相互作用問題分解成一系列簡單的題分別求解，最后利用疊加原理把分析的結果建立聯(lián)系，得出問題的方法有很多，根據(jù)對土與結構接觸面上結點自由度處理方法種分析方法：(1)剛性邊界方法；(2)柔性邊界方法；(3)柔性體法；(4)子結構縮等提出的分析土與結構動力相互作用的子結構法(SASSI2000)主要采用柔性體法和子結構縮減法，該方法主要適用于上部結構基礎與土體的動力相互作用問題(見圖1，圖中ab為子結構Ⅰ，也就是自由場；圖c基礎所取代；圖形成了整個相互作用體系。在這個體系中，假定自由場與開挖土部分于土與結構相互作用問題中，則可得土與結構相互作用問題的基本運動方程方程式左邊的頻率復相關動剛度矩陣，是指從自由場和上部結構的動剛參數(shù)的選擇兩種斷面形式，底板、中柱和側墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，本文取度在標準段為4~5m，為了考慮中柱的間距對二維有限元分析的影響，采用中柱彈性模量折減法，算得效模量為×104MPa為：表層為填土；下面為全新世砂土，該層厚度m2地震中記錄的相似加速度時程(見圖3)進行地鐵車站地震反應特性研究，考慮水平向地震作用下地鐵車站的地震反g把加速度調整為0.15g。g震求解地下結構與土體的動力相互作用，本文把地下結構頂?shù)罔F車站的附屬結構來考慮，該部分土體的非線性采用結果與分析車站的地震反應規(guī)律，利用SURFER7豎向地震作用下引起的地鐵車站水平向正應力5和豎向地震作用下的反應規(guī)律具體分析(1)在水平地震作用下，大開地鐵車站的中柱上端和下端產(chǎn)生很大的剪切應力，是中柱下端發(fā)生剪切破壞的可能性更大，如圖5(c)；在各構件的連接處附近應力集中現(xiàn)象非常明顯。(2)在豎向地震作用下，地鐵車站的最大應力反應與水平荷載作用下的結果明顯大于其它部位的反應，中柱很可能圖f側附近的頂板和底板處產(chǎn)生很大的剪切應力，在這些部位很可能圖5(e)；在側墻內側產(chǎn)生很大的壓應力，在該部位容易發(fā)生壓碎破壞，如圖5(f)。向和豎向地震作用下的反應規(guī)律與大開地鐵行對比分析，本文所得的結果與大開地鐵車站的震害非常的生混凝土壓碎破壞，破壞形式如圖m側主鋼筋出現(xiàn)彎。同時，在1995切破壞，破壞形式如圖向地震的破壞作用。nLysmer等提出考慮土與結構動力相互作用的子結構法(SASSI2000)主要是用于求解上相互作用。本文基于該方法的建立了合理的計算模型，把地鐵的指導意義和參考價值。M].日本:鹿島出版社,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年日本阪神地震近場強地面運動的特征[J].西北地震學報,i全部資料均來自日本相關政府網(wǎng)站。等方面對阪神大地震的災后重建工作進行了梳地震災后重建工作的5點啟示：災后重建工作中必須明確各級政府的支出責發(fā)揮地方政府的作用；重建規(guī)劃應按照輕重緩急統(tǒng)籌進行；產(chǎn)業(yè)復興要把產(chǎn)業(yè)構調整升級放在重要地位；產(chǎn)業(yè)復興要把中小企業(yè)作為重點扶持對象。年1月17日凌晨的阪神大地震，造成了六千四百多人死亡、三萬多人受傷、直接經(jīng)濟日元的巨災。本文對阪神大地震的災后重建工作進行梳理[i]，以便為我國的汶川大地震的災后重建工作提供借鑒。日本中央和地方政府先后成立了如下機構，以對災后重建工作進行指揮、指導和協(xié)調。廳事務次官下河邊淳擔任委員長，前副總理后藤田正晴和經(jīng)團聯(lián)名譽會長平巖外，委員中包括兵庫縣知事、神戶市市長、關西經(jīng)濟聯(lián)合會會長，以及3位知名專家思路。在這一年中，委員會共提出了11項建議和3項意見，是災后重建工作的最高決策咨詢機構。由內閣官房長官和專職負責地震災后重建事務的大臣擔任，其他內閣大臣均為本項法律是有效期5年的時限立法，因此本部的活動期限也相應為5年。該本部根據(jù)前大震災復興相關省廳聯(lián)絡會議”。縣南部地區(qū)，災后重建工作主要由兵庫縣政府組織實施，因此該復興本部是由兵部長。設立該本部的目的，是為了超越常態(tài)行政體制的束縛，打破部門壁壘，強力統(tǒng)籌、綜合推進災后重建工作的開展。戶市三者之間的協(xié)議會。從1996年2月到1999年12月之間，協(xié)議會共召集了1次會議，就災后重建工作中的有關事項進行協(xié)商。5年2-6項特別立法，作為災后重建及震災善后工作的法律依據(jù)。這些法律分別涉及的減免、震災復興的方針與機構設置、對災區(qū)地方政府的特別財政援助、發(fā)行特別財政轉移支付、促進受災失業(yè)人員的再就業(yè)、受災建筑物重建的相關規(guī)定等內是劃圍，將其作為“嚴重災害特別財政援助法”的適用對象，同時提高中央財政的援助及補助標準。政府主導災后重建并承擔更多的責任。但中央政府的判斷是，阪神震災的災害規(guī)特別財政援助法”等災害相關法律體系已經(jīng)比較完備，因此沒有采納兵庫縣的要求。震災復興規(guī)劃的制定工作在兵庫縣政府的主導下開始進行。成立了由各界專規(guī)劃的性質是兵庫縣實施震災復興的行政規(guī)劃。規(guī)劃的目標年份為2005年。規(guī)劃的基本目標是：(1)建設21世紀的福利城市；(2)建設向世界開放、充滿文化氣息的社會；(3)建設既有產(chǎn)業(yè)高度化、新型產(chǎn)業(yè)茁壯成長的社會；(4)建設抗災能力強、能夠安心生活的城市；(5)多核網(wǎng)絡型都市圈。規(guī)劃所面臨的主要課題是：(1)居民主體的城市建設；(2)人與自然共生的環(huán)境創(chuàng)造；(3)通過放松管制促進民間活力參與重建；(4)尋求國內外對重建的廣泛參與和支援；(5)推進行政與財政的改善；(6)中央對地方的支援；(7)復興事業(yè)的管理。應對的事項為：對災民生活的支援；廢墟和瓦礫的處理；公路與港口的修復。復興特別事業(yè)”，中央政府給予特別的政策支持?！焙头謪^(qū)域的“縣民復興論壇”，共搜集到來自居民的意和團體也積極建言獻策，到1998年3月底為止共提供了923項建議。定之后，兵庫縣政府又針對需要在短期內快速實施重建的住宅、產(chǎn)業(yè)和基礎設“緊急復興3年規(guī)劃”。以住宅為例，兵庫縣政府根據(jù)“兵庫住宅復興會議”于政策建議，于同年8月制定了“兵庫住宅復興3年規(guī)劃”。該規(guī)劃提出了到1997年年底為止的3年中建設125，000套住宅的目標。在隨后的重建過程中，兵庫縣還先后制定了“復興規(guī)劃推進方略”(1999年3月)、“后期5年推進計劃”(2000年11月)、“最終3年推進計劃”(2002年12月)，作為復興規(guī)劃的補充和細化。占50%。中央財政資金的80%是前五年投放的。于臨時住宅建設和災害撫恤金1400億日元，公路與港口等基礎設施的修復重建5100億日于高速公路和港口的修復7200億日元，用于建設安置災民的公營住宅和公路建設2050億日元。從1994財年到1999財年，中央財政共投放災后重建資金50200億日元。其用途如下：害救助費1800億日元資金貸款1400億日元億日元次生災害的對策費用1100億日元00億日元重建費用14000億日元，其中阪神高速公路修復費2100億日元官廳設施的抗震性能費用4700億日元設及支援個人住宅建設費用7200億日元設費用2900億日元會福利的費用800億日元災中小學生的援助費用1500億日元0億日元，其中的2000億日元用于中小企業(yè)對策，主要包括農(nóng)林水產(chǎn)設施的修復與建設、就業(yè)對策等的總事業(yè)費萬億日元，按照資金來源和用途進行整理的結果如下表所示。這里的本目標所列的?？梢钥闯觯亟ㄙY金的最主要的投向是基礎設施的修復重建和城市建設。3950、11500、10800、9000、7450、5900、5650億日元。考慮到震災發(fā)生時1994財年只剩下兩個多月，初始階段的資金集中大量投放十分明顯。995年4月1日，是中央與災區(qū)地方政府為適應對災民和受災中小企業(yè)救援的需求而言，在已有的制度規(guī)定中找不到可以直接向災民和的依據(jù)，通過建立這樣一個基金而起到了制度創(chuàng)新的作用。基金的基本框架如下：(1)14家銀行聯(lián)合向兵庫縣和神戶市貸款8800億日元，其中5800億元的利率為%，3000億元的利率為3%。(2)兵庫縣和神戶市將這筆資金全額無息貸給基金。(3)銀行把和神戶市的債權變?yōu)閭?，?800億日元讓渡給