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摘 要：地铁地下结构设计的重点就是满足抗震性的要求，但是在对其抗震性进行设计时，应该考虑到几个关键性的问题，比如土-结构动力相互作用分析模型等问题以及相应的高效算法等，只有重点考虑了上述问题，才能够确保地铁地下结构安全可靠性，即使发生地震也不会造成严重的后果。本文主要从三个方面对地铁地下结构抗震设计进行了有效的分析，仅供交流借鉴。
关键词：地铁；地下结构；抗震设计；关键问题
地铁作为重要的基础设施建设工程，其建设周期长，耗费资金量大，而且一旦完成，不宜进行大规模长时间的维修，因此在设计阶段就应该做好质量控制工作，尤其是其抗震性能的控制，因为地铁的修建，使得地下结构基础受到了非常大的影响，不仅是地铁施工场地会有很大的影响，对地铁周围的建筑基础也有极大的影响，因此一旦发生地震，地铁周围的基础建筑可能都会受到严重的损伤，因此在设计时，也需要考虑到这个问题。
1 土-结构动力相互作用分析模型
因地铁的特殊性，所以其结构设计几乎全部都是地下结构，而地下结构最重要的设计内容应该是抗震性，一旦发生地震，因其地下结构都属于中空，因此极其容易受到损伤，如果在设计阶段没有着重的考虑这个问题，其发生的后果将不堪设想，国际上已经有十分鲜明的案例。而地铁地下结构的抗震设计也需要注意多个问题，并且对各个问题都要进行详细的分析，只有如此，才能保证地铁这项基础设施建设工程可以安全稳定的运行。其首先要进行分析的问题就是土-结构动力相互作用的问题，可以构建相应的模型。
在强烈地震的影响，地下结构及其地基介质在一定程度上表现出非线性的状态，也有可能会出现弹塑性状态，有些地下结构与基础地基之间相互脱离，进而出现了非连续变形的情况。另外，该分析模型构建时，还需注意到地下结构地基可能会出现半无限性的现象，所以该模型中会必须对半无限地基进行充分讨论并且进行模拟。现阶段，大多数学者对钢筋混凝土的地下结构研究非常比较多，尤其是有关于其非线性性质的研究更为深入，因此其研究技术也更为成熟，目前也有学者将侧重点放在结构地基动态研究方面，并且获得了非常大成就。尽管针对研究出来的众多模型，并没有一个真正的具有使用性，但是这从一个侧面可以看出，我国学者研究的积极性，而且每一种模型的提出都为后续的研究提供了参考。
对于地铁车站来说，其地下结构对周围建筑以及其他地基影响都比较大，当发生地震时，可能其周围的破坏力度更大，比如地铁上覆土层的影响，静力效应是其存在的最大的问题，该问题不仅关系到動力人工边界的问题，还涉及到静力人工边界的问题，但是因为现阶段动力人工边界的研究并不能应用在地铁地下结构中，尤其是静力分析中，为了获得良好的效果，设计人员通常会选择使用不同的方法来进行有针对性的分析，也就是说，动力以及静力结构分析，采用不同的人工边界，这就出现了两个模型。按照模型的不同特点与要求，合理安排分析步骤，一般而言，静力问题应该放在首位进行分析，之后依据静力分析所得的数据来对其动力进行有效分析，最终将这两种分析结果有机结合。通过上述的阐释，这种做法非常麻烦，而且分析效果存在很大的误差，为此相关学者提出了静-动力统一人工边界模型，将两者有机结合进行分析，取得了比较好的效果，为深入研究地铁地下结构的抗震设计提供了帮助。
2 土-结构动力相互作用分析的快速高效算法
求解土-结构动力相互作用问题的方法可以分为解析法、半解析法和数值法等。由于地下结构的复杂性，解析法和半解析法的使用受到限制，而数值方法的使用最为广泛。在众多数值方法中，有限元法由于具有灵活方便、适应性强的优点，得到了广泛的应用。当采用有限元法结合人工边界对强地震作用下的土-结构开放系统进行整体分析时，由于系统非线性的影响，必需采用时域逐步积分算法完成计算，当所研究问题的尺度大、力学模型的自由度多时，其分析计算工作量巨大。
有限元离散模型中单元尺寸的大小与地震波及传播介质的性质有关。对于位于土中，特别是软土中的地下结构进行地震反应分析时，为对土中地震波的传播有足够的模拟精度，往往需要采用尺寸足够小的单元，导致离散模型单元数目很多。地铁地下车站的长度一般超过100m，甚至达200m，因而地铁车站-地基系统计算分析模型尺度很大，尤其是需要同时研究地铁车站与区间隧道连接处等震害易发生部位的地震反应及破坏规律时，计算模型的尺度将更大。
3 地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能的评估方法
动力时程分析方法作为一种可靠的分析手段适用于深入研究地铁等地下结构抗震理论，而对于评估地下结构承载力极限状态和进行常规的地铁地下工程抗震设计，还需要发展简便和实用的分析方法。借鉴目前建筑结构的抗震设计方法，发展新的评估地铁地下结构地震破坏模式及抗震性能的方法是很有意义的。我国GB50011-2001《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需要进行大震作用下结构的弹塑性变形验算，对于地铁地下结构尤其是地铁车站结构来说，大震作用下的弹塑性变形验算无疑也是必要的。目前常用的弹塑性分析方法包括静力增量分析法、动力时程分析法和静力弹塑性分析方法（Push-over方法）。静力增量分析法相对简单，但没有考虑到地震作用与结构自振特性之间的密切关系。动力时程分析法由于能够计算地震反应过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构开裂和屈服的顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而可以判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型，结果也较为准确，但其计算工作量大，计算结果受地震波选取的影响，用于常规的抗震设计还有一定的困难。相对上述两种方法来说，Push-over分析方法是一种新的结构抗震分析方法，这种方法既比较简单，又可以比较准确地评估地震作用下结构的反应情况，因而得到了广泛的研究和应用。
结束语
综上所述，可知对地铁地下结构抗震设计关键问题进行分析十分必要，因为作为重要的生命线工程，因为重要性，一旦被地震破坏，不仅会影响人们的正常出行，国家经济损失也会非常大，目前我国各大城市都在建设地铁，这是城市发展的重要表现，但是我国却缺少相关的地铁地下结构抗震设计研究，这对未来地铁的使用比较不利，而正是如此，笔者才对其进行了研究。
参考文献
[1]刘晶波，王振宇，杜修力，杜义欣.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J].工程力学，2005（6）.
[2]刘晶波，李彬，谷音.地铁盾构隧道地震反应分析[J].清华大学学报（自然科学版），2005（6）.
[3]付鹏程，王刚，张建民.地铁地下结构在轴向传播剪切波作用下反应的简化计算方法[J].地震工程与工程振动，2004（3）.
[4]林志，朱合华，杨超，杨林德.盾构区间隧道衬砌结构的抗震计算[J].同济大学学报（自然科学版），2004（5）.
关键词：地铁；地下结构；抗震设计；关键问题
地铁作为重要的基础设施建设工程，其建设周期长，耗费资金量大，而且一旦完成，不宜进行大规模长时间的维修，因此在设计阶段就应该做好质量控制工作，尤其是其抗震性能的控制，因为地铁的修建，使得地下结构基础受到了非常大的影响，不仅是地铁施工场地会有很大的影响，对地铁周围的建筑基础也有极大的影响，因此一旦发生地震，地铁周围的基础建筑可能都会受到严重的损伤，因此在设计时，也需要考虑到这个问题。
1 土-结构动力相互作用分析模型
因地铁的特殊性，所以其结构设计几乎全部都是地下结构，而地下结构最重要的设计内容应该是抗震性，一旦发生地震，因其地下结构都属于中空，因此极其容易受到损伤，如果在设计阶段没有着重的考虑这个问题，其发生的后果将不堪设想，国际上已经有十分鲜明的案例。而地铁地下结构的抗震设计也需要注意多个问题，并且对各个问题都要进行详细的分析，只有如此，才能保证地铁这项基础设施建设工程可以安全稳定的运行。其首先要进行分析的问题就是土-结构动力相互作用的问题，可以构建相应的模型。
在强烈地震的影响，地下结构及其地基介质在一定程度上表现出非线性的状态，也有可能会出现弹塑性状态，有些地下结构与基础地基之间相互脱离，进而出现了非连续变形的情况。另外，该分析模型构建时，还需注意到地下结构地基可能会出现半无限性的现象，所以该模型中会必须对半无限地基进行充分讨论并且进行模拟。现阶段，大多数学者对钢筋混凝土的地下结构研究非常比较多，尤其是有关于其非线性性质的研究更为深入，因此其研究技术也更为成熟，目前也有学者将侧重点放在结构地基动态研究方面，并且获得了非常大成就。尽管针对研究出来的众多模型，并没有一个真正的具有使用性，但是这从一个侧面可以看出，我国学者研究的积极性，而且每一种模型的提出都为后续的研究提供了参考。
对于地铁车站来说，其地下结构对周围建筑以及其他地基影响都比较大，当发生地震时，可能其周围的破坏力度更大，比如地铁上覆土层的影响，静力效应是其存在的最大的问题，该问题不仅关系到動力人工边界的问题，还涉及到静力人工边界的问题，但是因为现阶段动力人工边界的研究并不能应用在地铁地下结构中，尤其是静力分析中，为了获得良好的效果，设计人员通常会选择使用不同的方法来进行有针对性的分析，也就是说，动力以及静力结构分析，采用不同的人工边界，这就出现了两个模型。按照模型的不同特点与要求，合理安排分析步骤，一般而言，静力问题应该放在首位进行分析，之后依据静力分析所得的数据来对其动力进行有效分析，最终将这两种分析结果有机结合。通过上述的阐释，这种做法非常麻烦，而且分析效果存在很大的误差，为此相关学者提出了静-动力统一人工边界模型，将两者有机结合进行分析，取得了比较好的效果，为深入研究地铁地下结构的抗震设计提供了帮助。
2 土-结构动力相互作用分析的快速高效算法
求解土-结构动力相互作用问题的方法可以分为解析法、半解析法和数值法等。由于地下结构的复杂性，解析法和半解析法的使用受到限制，而数值方法的使用最为广泛。在众多数值方法中，有限元法由于具有灵活方便、适应性强的优点，得到了广泛的应用。当采用有限元法结合人工边界对强地震作用下的土-结构开放系统进行整体分析时，由于系统非线性的影响，必需采用时域逐步积分算法完成计算，当所研究问题的尺度大、力学模型的自由度多时，其分析计算工作量巨大。
有限元离散模型中单元尺寸的大小与地震波及传播介质的性质有关。对于位于土中，特别是软土中的地下结构进行地震反应分析时，为对土中地震波的传播有足够的模拟精度，往往需要采用尺寸足够小的单元，导致离散模型单元数目很多。地铁地下车站的长度一般超过100m，甚至达200m，因而地铁车站-地基系统计算分析模型尺度很大，尤其是需要同时研究地铁车站与区间隧道连接处等震害易发生部位的地震反应及破坏规律时，计算模型的尺度将更大。
3 地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能的评估方法
动力时程分析方法作为一种可靠的分析手段适用于深入研究地铁等地下结构抗震理论，而对于评估地下结构承载力极限状态和进行常规的地铁地下工程抗震设计，还需要发展简便和实用的分析方法。借鉴目前建筑结构的抗震设计方法，发展新的评估地铁地下结构地震破坏模式及抗震性能的方法是很有意义的。我国GB50011-2001《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需要进行大震作用下结构的弹塑性变形验算，对于地铁地下结构尤其是地铁车站结构来说，大震作用下的弹塑性变形验算无疑也是必要的。目前常用的弹塑性分析方法包括静力增量分析法、动力时程分析法和静力弹塑性分析方法（Push-over方法）。静力增量分析法相对简单，但没有考虑到地震作用与结构自振特性之间的密切关系。动力时程分析法由于能够计算地震反应过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构开裂和屈服的顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而可以判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型，结果也较为准确，但其计算工作量大，计算结果受地震波选取的影响，用于常规的抗震设计还有一定的困难。相对上述两种方法来说，Push-over分析方法是一种新的结构抗震分析方法，这种方法既比较简单，又可以比较准确地评估地震作用下结构的反应情况，因而得到了广泛的研究和应用。
结束语
综上所述，可知对地铁地下结构抗震设计关键问题进行分析十分必要，因为作为重要的生命线工程，因为重要性，一旦被地震破坏，不仅会影响人们的正常出行，国家经济损失也会非常大，目前我国各大城市都在建设地铁，这是城市发展的重要表现，但是我国却缺少相关的地铁地下结构抗震设计研究，这对未来地铁的使用比较不利，而正是如此，笔者才对其进行了研究。
参考文献
[1]刘晶波，王振宇，杜修力，杜义欣.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J].工程力学，2005（6）.
[2]刘晶波，李彬，谷音.地铁盾构隧道地震反应分析[J].清华大学学报（自然科学版），2005（6）.
[3]付鹏程，王刚，张建民.地铁地下结构在轴向传播剪切波作用下反应的简化计算方法[J].地震工程与工程振动，2004（3）.
[4]林志，朱合华，杨超，杨林德.盾构区间隧道衬砌结构的抗震计算[J].同济大学学报（自然科学版），2004（5）.