關(guān)于地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

金曉波

杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 310006

摘要：隨著地下建筑物的增多，地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)成為了重點(diǎn)工程之一。地下結(jié)構(gòu)抗震尤其特定的原理，必須要從特定的原理出發(fā)展開設(shè)計(jì)才能夠保證設(shè)計(jì)的有效性和科學(xué)性，滿足抗震的需要。本文結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)主要將從以下幾個(gè)方面來具體分析地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：建筑工程；地下結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；思考

一、結(jié)構(gòu)和土相互作用的分析模型

在地震作用時(shí)，地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)和土?xí)霈F(xiàn)彈塑性和非線性的特點(diǎn)，相互之間的接觸有可能出現(xiàn)局部的滑移和脫離。因此，在建立結(jié)構(gòu)和土相互作用結(jié)構(gòu)模型時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)材料的非線性、結(jié)構(gòu)和地基接觸的非線性、近場地基和遠(yuǎn)場地基的非線性等因素。目前對這幾種非線性的單個(gè)研究已經(jīng)很成熟，但是在實(shí)際工程中如何綜合利用這些非線性的研究成果來建立合理的地鐵等地下工程結(jié)構(gòu)的分析模型還要進(jìn)一步的討論。

地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)受到場地周圍地基地震反應(yīng)的影響十分顯著，在地震作用時(shí)，地鐵周圍的土特別是上層覆土的重力作用對地鐵結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，因此，如何在分析模型中體現(xiàn)地鐵地基的靜力作用和地基的半無限性也是一個(gè)很重要的問題。解決這一問題主要靠合理的設(shè)定靜力人工邊界和動(dòng)力人工邊界，但是目前的邊界模型一般來說不適合應(yīng)用與地下結(jié)構(gòu)，很有必要發(fā)展一種對靜力分析及動(dòng)力分析都可以適用的靜力—?jiǎng)恿θ斯み吔?，直接在邊界上輸入地震波，?jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

二、地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)反應(yīng)的特點(diǎn)及其基本分析方法

從以往的震害報(bào)道中可以看出，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)變形受周圍地基土壤的約束作用顯著，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)一般不明顯表觀出自振特性的影響；

2、地下結(jié)構(gòu)的存在對周圍地基震動(dòng)的影響一般很?。ㄖ傅叵陆Y(jié)構(gòu)的尺寸相對于地震波長的比例較小的情況）；

3、地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)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)在振動(dòng)中各點(diǎn)的相位差別十分明顯，而地面結(jié)構(gòu)各點(diǎn)在振動(dòng)中的相位差不很明顯；

5、地下結(jié)構(gòu)在振動(dòng)中的應(yīng)變一般與地震加速度的大小聯(lián)系不很明顯；

6、地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨埋深發(fā)生的變化不很明顯；

7、對地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)來說，它們與地基的相互作用都對它們的動(dòng)力反應(yīng)產(chǎn)生重要影響，但影響的方式和影響的程度則是不相同的。

地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法，從力學(xué)特性上可分為擬靜力計(jì)算方法和動(dòng)力反應(yīng)分析方法兩類。由于地震是動(dòng)力作用，顯然動(dòng)力反應(yīng)分析方法應(yīng)是理想的抗震設(shè)計(jì)方法。但是動(dòng)力反應(yīng)分析方法消耗計(jì)算機(jī)資源大，計(jì)算時(shí)間長，更重要的是動(dòng)力反應(yīng)分析需要高度的多方面專業(yè)知識(shí)和技能，對技術(shù)人員素質(zhì)要求很高，且操作繁雜，對計(jì)算結(jié)果的評價(jià)也不容易，因此，國際上通常使用擬靜力計(jì)算方法。我國現(xiàn)行地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于抗震設(shè)計(jì)部分，也是規(guī)定基本采用反應(yīng)位移法或地震系數(shù)法的擬靜力計(jì)算方法進(jìn)行分析。

三、地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中常用方法

最早形成擬靜力計(jì)算方法雛形是在上世紀(jì)60年代，60年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者在抗震研究中將彈性理論應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)，以此求解均勻介質(zhì)中關(guān)于單連通和多連通域的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，得出了地下結(jié)構(gòu)地震力的精確解和近似解。60年代末，美國在建設(shè)快速地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)（BART）時(shí)，對地下結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行了較深入的研究，提出了地下結(jié)構(gòu)并不抵御慣性力而是具有強(qiáng)加變形的延性，同時(shí)還不散失其承受靜荷載力等新的設(shè)計(jì)思想。到了70年代后期和80年代，日本學(xué)者依據(jù)地震觀測和模型試驗(yàn)資料，結(jié)合波動(dòng)理論，提出了反應(yīng)位移法、應(yīng)變傳遞法等實(shí)用的擬靜力計(jì)算方法，大大豐富了地下結(jié)構(gòu)的抗震理論。

1.ST.John法

該法以彈性地基梁模型來考慮土-結(jié)構(gòu)的相互作用問題，但忽略了土體與結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力相互作用，是一種擬靜力分析力方法。該法認(rèn)為在地震荷載作用下，隧道截面產(chǎn)生與自由場的軸向、彎曲和剪切變形相對應(yīng)的軸向、彎曲和剪切應(yīng)變。

由地震波引起的地下結(jié)構(gòu)承受的地震荷載，按其受載方式可分為3種。

（一）彎曲荷載：它是由地震波沿著與隧道軸線平行的方向傳播而產(chǎn)生的，其結(jié)果導(dǎo)致隧道在縱向和

橫向平面內(nèi)的變形。

（二）橫向荷載：它是由橫向傳播的剪切（SH）波、壓縮（P）波、Rayleigh波、Love波等在隧道外壁產(chǎn)生的

動(dòng)力剪應(yīng)力和門應(yīng)力引起的。

（三）軸向荷載：它是由平行于隧道軸向的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。

ST.John法在是否考慮土與結(jié)構(gòu)的相互作用時(shí)，引入了Peck教授提出的柔度比概念，即：如果柔度比F>20，則認(rèn)為襯砌是完全柔性的，土體與結(jié)構(gòu)不發(fā)生相互作用，地下結(jié)構(gòu)屈從于周圍介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)；

如果柔度比F<20，則土體與結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，地下結(jié)構(gòu)阻止土體的變形。

2、Shukla法

美國學(xué)者Shukla等人在20世紀(jì)80年代初應(yīng)用彈性地基梁原理，采用擬靜力方法來考慮土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，建立了地下結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。地震波在長大的地下結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)在垂直于結(jié)構(gòu)軸線的截面內(nèi)產(chǎn)生橫向應(yīng)力，在平行于地下結(jié)構(gòu)軸線方向上產(chǎn)生軸向應(yīng)力及彎曲應(yīng)力。

3、反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法的計(jì)算模型是將土以等效剛度的彈簧來代替，結(jié)構(gòu)設(shè)為梁單元，土與結(jié)構(gòu)的相互作用通過土彈簧和梁單元連接的方式表現(xiàn)。地震荷載在模型上施加方法為：

（一）以地震時(shí)一維自由土層在結(jié)構(gòu)上下底位置相對水平位移達(dá)到最大值時(shí)的位移作為強(qiáng)制位移施加到土體彈簧遠(yuǎn)離梁單元的一端；

（二）將地震時(shí)結(jié)構(gòu)接觸面位置自由土層的剪應(yīng)力離散為接觸面切線方向的結(jié)點(diǎn)力，施加到接觸面的梁單元結(jié)點(diǎn)上；

（三）假設(shè)地震時(shí)自由土層的反應(yīng)加速度與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度是一致的，將其作為體力轉(zhuǎn)化成橫向結(jié)點(diǎn)力施加于結(jié)構(gòu)全體的梁單元上。

4、有限元反應(yīng)加速度法

八十年代以后，隨著有限元數(shù)值模擬方法的改進(jìn)，針對反應(yīng)位移法的缺陷，國際上如日本等國在許多工程中采用有限元模型的擬靜力分析方法，其中被廣泛接受的是有限元反應(yīng)加速度法。其基本模型是將土分割為二維平面應(yīng)變有限元，結(jié)構(gòu)作為梁單元與其連接。計(jì)算地震荷載的方法也是首先進(jìn)行一維土層反應(yīng)計(jì)算，從中抽出地下結(jié)構(gòu)上、下底位置發(fā)生最大相對位移時(shí)刻隨土層深度分布的水平向加速度值，然后將其轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)力離散到有限元模型的土層和梁元素各節(jié)點(diǎn)上。這里，地震時(shí)土單元的剛性值可通過一維土層反應(yīng)分析時(shí)得到的收斂剪切模量計(jì)算得出。

該方法由于直接將土劃分為二維平面應(yīng)變有限元，不用計(jì)算土的彈簧剛性值，因而消除了反應(yīng)位移法中確定土彈簧時(shí)所帶來的誤差，并能夠真實(shí)地反映與土相連的結(jié)構(gòu)角部的應(yīng)力畸變情況，計(jì)算精度較反應(yīng)位移法有所提高。

四、抗震設(shè)計(jì)方法的合理選擇

為了合理選擇上述地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法，提高工程的抗震能力，首先應(yīng)該根據(jù)地下結(jié)構(gòu)類型、特點(diǎn)和所處地質(zhì)情況，其次需要結(jié)合所研究的重點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)的橫向荷載、位移和動(dòng)力特性與縱向部位之間存在著很大的差異，此外在模型的選擇、條件和約束邊界的選取與簡化等方面也有差異。為了提高地下結(jié)構(gòu)抗震的可靠性，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，對于地下結(jié)構(gòu)的選址，應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離地震活斷層和不穩(wěn)定的地帶，避免巖層風(fēng)化的區(qū)域和飽和砂土地基，并且加強(qiáng)出入口的抗震性能設(shè)計(jì)。

五、結(jié)束語

總的來說地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)很多，必要時(shí)從客觀的角度出發(fā)，分析抗震設(shè)計(jì)的基本原理，進(jìn)而按照需要，采用符合實(shí)際情況的設(shè)計(jì)方法，保證設(shè)計(jì)的有效性。

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