基于承载功能性的地下结构抗震韧性评估方法的发展及其应用

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A development of seismic resilience evaluation method for underground structures based on load-carrying functionality and its application

地下结构抗震韧性评估方法研究

　　地震灾害对地下结构的影响日益受到重视，特别是在城市基础设施建设中，如何提升地下结构的抗震韧性成为关键课题。传统的抗震韧性评估方法主要依赖于间接指标，如修复时间、经济损失和人员伤亡等，这些指标虽然在一定程度上反映了灾害后结构的恢复情况，但往往忽略了结构功能本身的退化过程。因此，本文旨在提出一种基于荷载承载功能损失模型的分析框架，以更准确地评估地下框架结构的抗震韧性。

地震灾害不仅对建筑物造成破坏，也对地下结构产生深远影响。例如，1995年日本神户地震中，大开站发生了严重的坍塌，而2008年汶川地震期间，隧道结构也出现了大量破坏。这些灾害不仅导致了地铁系统的停运，还造成了巨大的时间成本和经济损失。随着城市韧性理念的不断深化，地下结构的抗震性能评估已经从单纯的抗震能力扩展到包括地震后恢复能力的综合评估。这意味着，为了实现城市可持续发展，必须建立一套科学的地下结构抗震韧性评估方法。

抗震韧性这一概念最早在生态学领域被提出，用于描述生态系统在外部扰动后维持其基本功能并自主恢复的能力。随后，这一概念被引入工程领域，并逐步发展为用于评估结构抗震韧性的工具。目前，关于地下结构抗震韧性的研究可以分为两大类：结构系统和单体结构。对于结构系统，评估方法通常基于地铁系统的复杂网络建模和拓扑特性分析。例如，研究者通过整合乘客流量、网络拓扑等特征，建立了结构系统的韧性评估框架。这些研究强调了基础设施功能耦合效应的重要性，因为地铁系统作为一个包含轨道、排水、通信等多个子系统的复杂系统，任何子系统的失效都可能影响整个系统的功能。

然而，现有的研究大多集中在单体结构或单一系统功能的韧性评估上，缺乏对整个结构系统韧性的综合分析。因此，为了实现更精确和全面的结构系统韧性评估，有必要建立一个详细且准确的评估框架和方法，以量化单体结构的抗震韧性。本文提出了一种新的方法，基于荷载承载功能损失模型，通过考虑地震期间和地震后修复阶段结构荷载承载功能的变化，建立结构损伤与韧性之间的定量关系。

结构的荷载承载功能直接关系到其安全性。一旦荷载承载功能受损，可能导致整个地下结构的坍塌。因此，在评估地下结构的抗震韧性时，荷载承载功能应作为首要考虑因素。目前，结构性能评估通常通过对各个构件性能进行加权和整合来实现。这种思路同样适用于确定结构的荷载承载功能。然而，现有的研究主要集中在对上部结构的荷载承载功能分析上，包括理论分析、数值模拟和实验研究。值得注意的是，地下结构的抗震性能受到周围土壤变形的显著影响，这使得其机械行为与上部结构存在根本差异。

为了实现对地下结构抗震韧性的定量评估，本文首先明确结构损伤与韧性之间的关系，然后构建地震荷载、结构损伤和结构韧性之间的定量关系，从而建立合理的抗震韧性评估框架。本文提出的评估方法，通过考虑结构荷载承载功能的变化，能够更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复策略提供科学依据。

本文的评估框架包括六个步骤，如图3所示。第一步是确定地震的发生概率；第二步是分析结构的地震决策脆弱性模型，以确定概率和损失；第三步是计算结构构件对整体结构的贡献；第四步是根据概率计算韧性损失；第五步是根据修复过程计算韧性恢复；第六步是综合分析结构的韧性表现。通过这一框架，可以系统地评估地下结构在地震中的性能变化，并为地震后的修复提供指导。

在实际应用中，本文选取了位于北京的山-个-庄站作为案例，评估其抗震韧性。该地铁站为两层三跨结构，埋深为2.2米。通过分析其几何和力学信息，以及周围土壤层的机械参数，可以更全面地了解其抗震性能。案例研究表明，当该地铁站遭受频繁地震、罕见地震和极罕见地震时，其抗震韧性指数分别下降至0.70、0.52和0.43。在考虑地震可能发生的前提下，该结构的抗震韧性指数可以在240天的修复后恢复到初始水平。

与传统的抗震韧性评估方法相比，本文提出的评估方法提供了一种可量化的功能评估指标，为决策过程提供了更科学的依据。传统的评估方法通常依赖于间接指标，如经济损失、人员伤亡和修复时间，这些指标虽然在一定程度上反映了灾害后的恢复情况，但无法直接体现结构功能的损失、剩余抗震能力和其可恢复性。因此，为了实现更准确的评估，有必要选择能够直接描述结构功能的指标，以构建抗震韧性评估框架。

本文提出的抗震韧性指数能够直接反映结构在地震作用下的抵抗能力和地震后的恢复能力。通过考虑地震期间和地震后修复阶段结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性。同时，本文还通过脆弱性分析，综合考虑了地震发生、地震引起的结构构件损伤以及损伤引起的结构功能损失的不确定性。这些不确定性可以通过概率地震危害分析（PSHA）和地震损伤脆弱性分析来确定。

在地震后的结构功能损失分析中，需要确定所有结构构件的荷载承载功能指标，同时也要明确构件的功能损失限值和构件对整体结构功能的权重。这些信息可以通过实验和数值模拟来获取，并用于构建结构功能损失模型。通过这一模型，可以更准确地评估地震对结构功能的影响，并为地震后的修复提供科学依据。

此外，本文还讨论了地震后的结构功能恢复过程。通过分析修复时间对结构功能恢复的影响，可以更全面地评估结构的恢复能力。同时，本文还指出，结构的抗震韧性不仅取决于其抵抗能力，还受到其恢复能力的显著影响。因此，在评估结构的抗震韧性时，需要综合考虑抵抗能力和恢复能力，以实现更全面的评估。

本文的研究结果表明，通过考虑结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复策略提供科学依据。同时，本文提出的评估方法提供了一种实用的途径，用于评估地下结构的抗震韧性。这一方法不仅适用于地铁站，也可以推广到其他类型的地下结构，如地下停车场、隧道、地下商业设施等。

总之，本文提出了一种基于荷载承载功能损失模型的分析框架，用于评估地下框架结构的抗震韧性。通过考虑地震期间和地震后修复阶段结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复提供科学依据。同时，本文还通过脆弱性分析，综合考虑了地震发生、地震引起的结构构件损伤以及损伤引起的结构功能损失的不确定性。这些不确定性可以通过概率地震危害分析（PSHA）和地震损伤脆弱性分析来确定。

在实际应用中，本文选取了位于北京的山-个-庄站作为案例，评估其抗震韧性。该地铁站为两层三跨结构，埋深为2.2米。通过分析其几何和力学信息，以及周围土壤层的机械参数，可以更全面地了解其抗震性能。案例研究表明，当该地铁站遭受频繁地震、罕见地震和极罕见地震时，其抗震韧性指数分别下降至0.70、0.52和0.43。在考虑地震可能发生的前提下，该结构的抗震韧性指数可以在240天的修复后恢复到初始水平。

与传统的抗震韧性评估方法相比，本文提出的评估方法提供了一种可量化的功能评估指标，为决策过程提供了更科学的依据。传统的评估方法通常依赖于间接指标，如经济损失、人员伤亡和修复时间，这些指标虽然在一定程度上反映了灾害后的恢复情况，但无法直接体现结构功能的损失、剩余抗震能力和其可恢复性。因此，为了实现更准确的评估，有必要选择能够直接描述结构功能的指标，以构建抗震韧性评估框架。

本文提出的抗震韧性指数能够直接反映结构在地震作用下的抵抗能力和地震后的恢复能力。通过考虑地震期间和地震后修复阶段结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复提供科学依据。同时，本文还通过脆弱性分析，综合考虑了地震发生、地震引起的结构构件损伤以及损伤引起的结构功能损失的不确定性。这些不确定性可以通过概率地震危害分析（PSHA）和地震损伤脆弱性分析来确定。

在地震后的结构功能损失分析中，需要确定所有结构构件的荷载承载功能指标，同时也要明确构件的功能损失限值和构件对整体结构功能的权重。这些信息可以通过实验和数值模拟来获取，并用于构建结构功能损失模型。通过这一模型，可以更准确地评估地震对结构功能的影响，并为地震后的修复提供科学依据。

此外，本文还讨论了地震后的结构功能恢复过程。通过分析修复时间对结构功能恢复的影响，可以更全面地评估结构的恢复能力。同时，本文还指出，结构的抗震韧性不仅取决于其抵抗能力，还受到其恢复能力的显著影响。因此，在评估结构的抗震韧性时，需要综合考虑抵抗能力和恢复能力，以实现更全面的评估。

本文的研究结果表明，通过考虑结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复策略提供科学依据。同时，本文提出的评估方法提供了一种实用的途径，用于评估地下结构的抗震韧性。这一方法不仅适用于地铁站，也可以推广到其他类型的地下结构，如地下停车场、隧道、地下商业设施等。

总之，本文提出了一种基于荷载承载功能损失模型的分析框架，用于评估地下框架结构的抗震韧性。通过考虑地震期间和地震后修复阶段结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复提供科学依据。同时，本文还通过脆弱性分析，综合考虑了地震发生、地震引起的结构构件损伤以及损伤引起的结构功能损失的不确定性。这些不确定性可以通过概率地震危害分析（PSHA）和地震损伤脆弱性分析来确定。

在地震后的结构功能损失分析中，需要确定所有结构构件的荷载承载功能指标，同时也要明确构件的功能损失限值和构件对整体结构功能的权重。这些信息可以通过实验和数值模拟来获取，并用于构建结构功能损失模型。通过这一模型，可以更准确地评估地震对结构功能的影响，并为地震后的修复提供科学依据。

此外，本文还讨论了地震后的结构功能恢复过程。通过分析修复时间对结构功能恢复的影响，可以更全面地评估结构的恢复能力。同时，本文还指出，结构的抗震韧性不仅取决于其抵抗能力，还受到其恢复能力的显著影响。因此，在评估结构的抗震韧性时，需要综合考虑抵抗能力和恢复能力，以实现更全面的评估。

本文的研究结果表明，通过考虑结构荷载承载功能的变化，可以更准确地量化结构的抗震韧性，并为地震后的修复策略提供科学依据。同时，本文提出的评估方法提供了一种实用的途径，用于评估地下结构的抗震韧性。这一方法不仅适用于地铁站，也可以推广到其他类型的地下结构，如地下停车场、隧道、地下商业设施等。

综上所述，本文提出了一种新的方法，用于评估地下结构的抗震韧性。该方法基于荷载承载功能损失模型，通过考虑地震期间和地震后修复阶段结构荷载承载功能的变化，建立结构损伤与韧性之间的定量关系。同时，通过脆弱性分析，综合考虑了地震发生、地震引起的结构构件损伤以及损伤引起的结构功能损失的不确定性。这些不确定性可以通过概率地震危害分析（PSHA）和地震损伤脆弱性分析来确定。此外，本文还通过案例研究，验证了该方法的可行性，并为地震后的修复策略提供了科学依据。通过这一方法，可以更准确地评估地下结构的抗震韧性，并为城市基础设施的建设提供科学支持。