地下結(jié)構(gòu)的抗震特性

林 放

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 四川 成都 610031）

1 地下結(jié)構(gòu)抗震特性與地面建筑的差異

近年來(lái)，地下結(jié)構(gòu)在能源、交通、通訊、城市建設(shè)和國(guó)防工程等方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市化程度的不斷提高，地下結(jié)構(gòu)的重要性也日益明顯。1995年神戶地震首次使地鐵車站和區(qū)間隧道遭受嚴(yán)重破壞,其中大開站最為嚴(yán)重,中柱一半以上完全坍塌,隨之導(dǎo)致頂板破壞和上覆土層的沉降,最大沉降量達(dá)2.5m之多。這次破壞使人們更加認(rèn)識(shí)到,必須加強(qiáng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究。

目前的抗震設(shè)計(jì)研究絕大部分集中在地面建筑,對(duì)地下鐵道抗震設(shè)計(jì)尚無(wú)具體的規(guī)定,一方面原因就是地面結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)對(duì)地震反應(yīng)有不同的特點(diǎn)。

（1）地震發(fā)生時(shí),地震波的入射方向、波速、地震的類型對(duì)地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)有不同的影響,而地下結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的入射方向十分敏感,入射方向的微小變化可能導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)各部分的應(yīng)力和變形有明顯的改變。

（2）對(duì)地面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),地震加速度是影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)大小的一個(gè)重要因素,而地下結(jié)構(gòu)在振動(dòng)中主要應(yīng)變一般與地震加速度大小的聯(lián)系不很明顯。

（3）地下鐵道區(qū)間與圍巖的軟硬程度有很大的關(guān)系,硬巖隧道不容易破壞,而有軟弱圍巖的地下結(jié)構(gòu)更容易破壞,而結(jié)構(gòu)自振頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)不明顯。而對(duì)地上結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),自振特性是抗震分析的重要方面。

可以這么說(shuō)，地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性有很大的不同:

（1）地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形由周圍地基土壤的約束作用所控制，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性反應(yīng)一般不明顯由自生振動(dòng)特性的影響；

（2）地下結(jié)構(gòu)的與周圍地基震動(dòng)具有同一性，因此對(duì)周圍地基震動(dòng)的影響一般很小，但特指地下結(jié)構(gòu)的尺寸相對(duì)于地震波長(zhǎng)的比例較小的情況；

（3）地下的振動(dòng)形態(tài)更多的受地震波入射方向的影響很大，地震波的入射方向發(fā)生不大的變化，地下結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的變形和應(yīng)力可以發(fā)生較大的變化；

（4）地下結(jié)構(gòu)在地震作用中各點(diǎn)的相位差十分明顯，地面結(jié)構(gòu)各點(diǎn)在振動(dòng)中的相位差不是很明顯；

（5）地下結(jié)構(gòu)在地震作用中的應(yīng)變一般與地震加速度的大小聯(lián)系不明顯；

（6）地下結(jié)構(gòu)的抗震特性與埋深的關(guān)系不大；

（7）地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)分別在地震作用下和地基的相互作用都對(duì)它們的動(dòng)力反應(yīng)產(chǎn)生重要影響，但影響的方式和程度各不相同，這點(diǎn)要特別注意。

2 國(guó)內(nèi)外各種地下隧道結(jié)構(gòu)的抗震分析方法

理論分析的主要基礎(chǔ)是波動(dòng)理論和有限元方法。地下隧道結(jié)構(gòu)的震害、動(dòng)力反應(yīng)及結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)決定了其抗震分析方法的特點(diǎn)。對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)計(jì)方法會(huì)因不同的施工工藝而有所不同，但綜合來(lái)看其響應(yīng)分析的研究方法大致可分為兩大類:一類為波動(dòng)法，它以求解波動(dòng)方程為基礎(chǔ)，將地下結(jié)構(gòu)視為無(wú)限線彈性（或彈塑性）介質(zhì)中孔洞的加固區(qū)，將整個(gè)系統(tǒng)作為對(duì)象進(jìn)行分析，求解其波動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)；另一類為相互作用法，這是以求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，將土介質(zhì)的作用等效為彈簧和阻尼。這兩種方法各有特點(diǎn)，其要點(diǎn)如下:

（1）波動(dòng)解法

該法按波動(dòng)方程來(lái)求解地下結(jié)構(gòu)及其周圍介質(zhì)這一整體的波動(dòng)場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)，忽略了土體與結(jié)構(gòu)間的相互作用情況，認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)的存在對(duì)該處的波動(dòng)場(chǎng)沒有影響，在采用該法設(shè)計(jì)時(shí)，可以將所求得的該處土體的波動(dòng)變位直接加在結(jié)構(gòu)上來(lái)求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

（2）解析解

由于地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)問(wèn)題的復(fù)雜性，對(duì)大多數(shù)情況都無(wú)法獲得解析解，以下介紹一種擬彈性解析解。該解法中假定地震波的波動(dòng)場(chǎng)是平面波，其振幅在沿隧道軸向的場(chǎng)地中都是相同的，所不同僅在于到達(dá)時(shí)間的不同 （即考慮行波效應(yīng)），而忽略了波的散射及波的三維傳播影響。

（3）數(shù)值解

對(duì)大多數(shù)較復(fù)雜情況我們就不得不借助于數(shù)值解。對(duì)簡(jiǎn)化為一維情況的解已有許多程序可用，如基于波的一維傳播理論的 FLUSH （Lysmer等，1975）、LINOS （Bardet等，1991）。Navarro（1992）編寫了可用于計(jì)算體波和表面波作用下場(chǎng)地土的變形與應(yīng)力的計(jì)算程序。

（4）反應(yīng)變位法

20世紀(jì)七十年代日本學(xué)者在地震觀測(cè)中發(fā)現(xiàn):地下結(jié)構(gòu)地震中支配其地震響應(yīng)的控制因素是場(chǎng)地位移，略去結(jié)構(gòu)本身的慣性力和阻尼效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。基于此提出了地下線狀結(jié)構(gòu)物的抗震設(shè)計(jì)方法——反應(yīng)位移法。其基本原理就是用彈性地基梁來(lái)模擬地下線狀結(jié)構(gòu)物，將地震時(shí)地基的位移當(dāng)作已知條件作用在彈性地基梁上，以求解梁響應(yīng)，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

（5）圍巖應(yīng)變傳遞法

圍巖應(yīng)變一般假定為無(wú)洞穴巖體中洞穴中心位置的應(yīng)變。對(duì)隧洞軸向的應(yīng)變和應(yīng)變傳遞率仍可采用上一節(jié)的計(jì)算模型進(jìn)行分析，其重點(diǎn)仍是地基抗力系數(shù)的確定。

（6）地基抗力系數(shù)法

這是將相互作用的計(jì)算模型應(yīng)用于地下隧道結(jié)構(gòu)橫斷面地震反應(yīng)分析的一種方法。周圍巖土介質(zhì)的作用以壓縮和剪切彈簧進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。該法包括三個(gè)基本步驟:圍巖介質(zhì)彈簧常數(shù)計(jì)算；圍巖地震變位計(jì)算；結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算。

（7）福季耶娃法

由前蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃認(rèn)為對(duì)于波長(zhǎng)大于隧道洞徑3倍的P波及S波，只要隧道埋深大于洞徑3倍，長(zhǎng)度大于洞徑5倍，就可將地震反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題用圍巖在無(wú)窮遠(yuǎn)處承受一定荷載的彈性力學(xué)的平面問(wèn)題的方法解答。若假定圍巖介質(zhì)屬線彈性體，則地震作用時(shí)引起隧道圍巖的應(yīng)力及襯砌內(nèi)力的計(jì)算，可歸結(jié)為有加固孔口周圍應(yīng)力集中的線彈性理論動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解。這是一種擬靜力方法。

（8）動(dòng)力有限元法

上述幾種地下結(jié)構(gòu)抗震解析方法都是擬靜力的分析方法。大都是粗略和近似的，往往將問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)，無(wú)法滿足對(duì)結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行深入研究，或是進(jìn)行某些特殊情況或特殊部位抗震分析的需要。這就需要應(yīng)用動(dòng)力有限元法。原則上它可以實(shí)用于各種復(fù)雜形狀的連續(xù)體問(wèn)題，能較好的反映各種復(fù)雜的材料特性。其分析步驟主要有:幾何、材料和荷載的理想化；剛度、質(zhì)量和阻尼矩陣的形成；建立運(yùn)動(dòng)方程并求解。在地下隧道地震響應(yīng)的動(dòng)力有限元分析中，常假設(shè)在隧道下方存在一個(gè)基巖面，將地震加速度沿此基巖激振。該法由于其所具有的強(qiáng)大適應(yīng)能力，已成為地下隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)求解的有力工具。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述的幾種國(guó)內(nèi)外的地下結(jié)構(gòu)抗震分析的方法，在一定程度上反映了目前地下結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展水平。但是，有的方法應(yīng)用范圍很窄，并且都是有一定假設(shè)條件，或多或少都是粗略的和近似的。一方面它們將不規(guī)則的地震波視為按同一周期和同一方向傳播的波，這似乎使問(wèn)題的解決過(guò)于簡(jiǎn)單化；另一方面，將地基變形作為輸入的地下結(jié)構(gòu)反應(yīng)解，是一個(gè)并未考慮衰減的靜力解。然而，實(shí)際上的地基變形是隨時(shí)間而變化的，應(yīng)當(dāng)考慮動(dòng)力輸入的影響。因此，要準(zhǔn)確地反映地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，只有采用數(shù)值計(jì)算方法，如有限元法等，才能更全面、更真實(shí)地再現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動(dòng)態(tài)特性。

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