地下结构的抗震特性

【摘要】本文简要介绍了目前国内外地下隧道结构抗震研究的现状、各种理论及实用分析方法以及今后的一些发展动态。地下结构的抗震研究是当今地震工程界重要的研究方向。

【关键词】本构模型；地下隧道结构；抗震特性；振动特性

１地下结构抗震特性与地面建筑的差异

近年来，地下结构在能源、交通、通讯、城市建设和国防工程等方面得到广泛的应用。随着工农业生产的发展和城市化程度的不断提高，地下结构的重要性也日益明显。1995年神户地震首次使地铁车站和区间隧道遭受严重破坏,其中大开站最为严重,中柱一半以上完全坍塌,随之导致顶板破坏和上覆土层的沉降,最大沉降量达2.5m之多。这次破坏使人们更加认识到,必须加强对地下结构抗震性能的研究。

目前的抗震设计研究绝大部分集中在地面建筑,对地下铁道抗震设计尚无具体的规定,一方面原因就是地面结构与地下结构对地震反应有不同的特点。

（1）地震发生时,地震波的入射方向、波速、地震的类型对地下结构和地上结构有不同的影响,而地下结构对地震波的入射方向十分敏感,入射方向的微小变化可能导致地下结构各部分的应力和变形有明显的改变。

（2）对地面结构来说,地震加速度是影响结构动力反应大小的一个重要因素,而地下结构在振动中主要应变一般与地震加速度大小的联系不很明显。

（3）地下铁道区间与围岩的软硬程度有很大的关系,硬岩隧道不容易破坏,而有软弱围岩的地下结构更容易破坏,而结构自振频率对结构的反应不明显。而对地上结构来说,自振特性是抗震分析的重要方面。

可以这么说，地下结构与地面结构的振动特性有很大的不同：

（1）地下结构的振动变形由周围地基土壤的约束作用所控制，结构的动力特性反应一般不明显由自生振动特性的影响；

（2）地下结构的与周围地基震动具有同一性，因此对周围地基震动的影响一般很小，但特指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况；

（3）地下的振动形态更多的受地震波入射方向的影响很大，地震波的入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化；

（4）地下结构在地震作用中各点的相位差十分明显，地面结构各点在振动中的相位差不是很明显；

（5）地下结构在地震作用中的应变一般与地震加速度的大小联系不明显；

（6）地下结构的抗震特性与埋深的关系不大；

（7）地下结构和地面结构分别在地震作用下和地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响，但影响的方式和程度各不相同，这点要特别注意。

２国内外各种地下隧道结构的抗震分析方法

理论分析的主要基础是波动理论和有限元方法。地下隧道结构的震害、动力反应及结构自身特点决定了其抗震分析方法的特点。对地下隧道结构，其抗震设计方法会因不同的施工工艺而有所不同，但综合来看其响应分析的研究方法大致可分为两大类：一类为波动法，它以求解波动方程为基础，将地下结构视为无限线弹性（或弹塑性）介质中孔洞的加固区，将整个系统作为对象进行分析，求解其波动场和应力场；另一类为相互作用法，这是以求解结构运动方程为基础，将土介质的作用等效为弹簧和阻尼。这两种方法各有特点，其要点如下：

（１）波动解法

该法按波动方程来求解地下结构及其周围介质这一整体的波动场与应力场，忽略了土体与结构间的相互作用情况，认为地下结构的存在对该处的波动场没有影响，在采用该法设计时，可以将所求得的该处土体的波动变位直接加在结构上来求解结构的响应。

（２）解析解

由于地下结构地震动问题的复杂性，对大多数情况都无法获得解析解，以下介绍一种拟弹性解析解。该解法中假定地震波的波动场是平面波，其振幅在沿隧道轴向的场地中都是相同的，所不同仅在于到达时间的不同（即考虑行波效应），而忽略了波的散射及波的三维传播影响。

（３）数值解

对大多数较复杂情况我们就不得不借助于数值解。对简化为一维情况的解已有许多程序可用，如基于波的一维传播理论的FLUSH（Lysmer等，1975）、LINOS（Bardet等，1991）。Navarro（1992）编写了可用于计算体波和表面波作用下场地土的变形与应力的计算程序。

（４）反应变位法

２０世纪七十年代日本学者在地震观测中发现：地下结构地震中支配其地震响应的控制因素是场地位移，略去结构本身的惯性力和阻尼效应对计算结果的影响很小。基于此提出了地下线状结构物的抗震设计方法——反应位移法。其基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物，将地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基梁上，以求解梁响应，从而计算结构的地震反应。

（５）围岩应变传递法

围岩应变一般假定为无洞穴岩体中洞穴中心位置的应变。对隧洞轴向的应变和应变传递率仍可采用上一节的计算模型进行分析，其重点仍是地基抗力系数的确定。

（６）地基抗力系数法

这是将相互作用的计算模型应用于地下隧道结构横断面地震反应分析的一种方法。周围岩土介质的作用以压缩和剪切弹簧进行模拟，结构用梁单元进行模拟。该法包括三个基本步骤：围岩介质弹簧常数计算；围岩地震变位计算；结构地震反应计算。

（７）福季耶娃法

由前苏联学者福季耶娃认为对于波长大于隧道洞径3倍的P波及S波，只要隧道埋深大于洞径3倍，长度大于洞径5倍，就可将地震反应的动力学问题用围岩在无穷远处承受一定荷载的弹性力学的平面问题的方法解答。若假定围岩介质属线弹性体，则地震作用时引起隧道围岩的应力及衬砌内力的计算，可归结为有加固孔口周围应力集中的线弹性理论动力学问题的求解。这是一种拟静力方法。

（８）动力有限元法

上述几种地下结构抗震解析方法都是拟静力的分析方法。大都是粗略和近似的，往往将问题过于简，无法满足对结构在地震荷载下的动态响应特性进行深入研究，或是进行某些特殊情况或特殊部位抗震分析的需要。这就需要应用动力有限元法。原则上它可以实用于各种复杂形状的连续体问题，能较好的反映各种复杂的材料特性。其分析步骤主要有：几何、材料和荷载的理想化；刚度、质量和阻尼矩阵的形成；建立运动方程并求解。在地下隧道地震响应的动力有限元分析中，常假设在隧道下方存在一个基岩面，将地震加速度沿此基岩激振。该法由于其所具有的强大适应能力，已成为地下隧道结构动力响应求解的有力工具。

3结束语

上述的几种国内外的地下结构抗震分析的方法，在一定程度上反映了目前地下结构抗震理论的发展水平。但是，有的方法应用范围很窄，并且都是有一定假设条件，或多或少都是粗略的和近似的。一方面它们将不规则的地震波视为按同一周期和同一方向传播的波，这似乎使问题的解决过于简单化；另一方面，将地基变形作为输入的地下结构反应解，是一个并未考虑衰减的静力解。然而，实际上的地基变形是随时间而变化的，应当考虑动力输入的影响。因此，要准确地反映地下结构的动力特性，只有采用数值计算方法，如有限元法等，才能更全面、更真实地再现地下结构在地震荷载下的动态特性。

【参考文献】

［１］季倩倩，等．地下铁道震害与震后修复措施[Ｊ]．灾害学，2001，16（2）．

［２］张玉娥，等．地铁区间隧道震害特点、震害分析方法及减震措施的探讨[J]．振动与冲击，2003，22（1）．

［３］林皋．地下结构抗震分析综述（上）、（下）[J]．世界地震工程，1993（2，3）．

［４］林皋．地下结构的抗震设计[J]．土木工程学报，1996，29（1）．

［责任编辑：王静］

推荐访问： 抗震 特性 地下 结构

---