對地下結(jié)構(gòu)工程抗震分析方法分析

摘要：以下文章針對地下布局的特殊屬性，淺析了目前對于地下結(jié)構(gòu)工程抗震方面存在的不足，并提出了有效的彌補辦法，以促進地下結(jié)構(gòu)工程抗震性研究。

關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu)；工程抗震；研究方法

跟著社會的發(fā)展與前進，地下結(jié)構(gòu)的運用愈來愈普遍，從開發(fā)能源、交通、通信到城市建設(shè)，甚至國防護衛(wèi)工程，都離不開地下布局。近些年，工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市的規(guī)劃建設(shè)，時刻都在提醒我們地下結(jié)構(gòu)的重要性。一直以來，人們都會有這樣的觀點，地下布局在抗震方面比地面布局有一定的上風(fēng)，在數(shù)目上比擬地面布局也少很多，所以相比地面布局而言，地震對地下布局造成影響要小。但是由于近幾年許多種原因?qū)е碌卣鸬念l繁出現(xiàn)，使得人們越來越重視對地下結(jié)構(gòu)工程抗震方面的研究。

1地動產(chǎn)生時地下構(gòu)造項目奇特的反映

地面的建筑物在遭遇地震侵襲的時候反應(yīng)通常是建筑物自身的動力反應(yīng)，導(dǎo)致建筑物倒塌或者變形，而地下結(jié)構(gòu)由于與土體緊密相連，當(dāng)遭遇地震的時候，建筑物會與四周的土體產(chǎn)生動態(tài)反應(yīng)。但發(fā)生地震的時候，基巖受地震波的影響，一點點的有軟土層滲透到結(jié)構(gòu)物上，從而使結(jié)構(gòu)物被破壞，而還有一些地震波經(jīng)過反射到土層，對土層又造成破壞，從而形成惡性循環(huán)，由此我們可以分析出地震發(fā)生時地下結(jié)構(gòu)工程獨特的反應(yīng)：

（1）地下結(jié)構(gòu)在遭受地震的時候由于四周土質(zhì)的制約，自身的動力反應(yīng)不強烈。

（2）地下結(jié)構(gòu)的存在有效的減少了地動對四周地基的影響（特指相對于地震波長來講，地下結(jié)構(gòu)物的尺寸較?。?/p>

（3）地震波入射方向?qū)τ诘叵陆Y(jié)構(gòu)的形態(tài)產(chǎn)生很到的振動效果，及時地震波的入射方向發(fā)生微小的變化，地下結(jié)構(gòu)也將受到嚴重的變形。

（4）地下結(jié)構(gòu)相比地面結(jié)構(gòu)，在接受振動的時候各點的相位差比較顯著。

（5）地下構(gòu)造在振動中的應(yīng)變受地動加速度的快慢的影響比較小。

（6）地下構(gòu)造的地動反應(yīng)大小不分深基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)。

2地下布局抗震剖析的有效途徑

2.1采取地動原型觀察的方式

地震原型觀測的方法具體實施手段是結(jié)合地下結(jié)構(gòu)在地震時的動力特殊屬性，并進行合理的觀測，從而達到掌握地下結(jié)構(gòu)對地震動反應(yīng)的目的。首先根據(jù)長期以來對地震的觀測，把各個地區(qū)地震裂度有效的劃分，并進行科學(xué)的復(fù)核和校訂，同時結(jié)合實際需要建立一個適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。這種做法的本質(zhì)就是根據(jù)對所收集的數(shù)據(jù)進行整理和分析，對地震動和結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性有個充分的掌握，這樣對于研究地下結(jié)構(gòu)物抗震、減震問題有個很好的參考，在這個數(shù)據(jù)庫中可收入引起結(jié)構(gòu)物破壞的地震動參數(shù)，同時對這些參數(shù)的選擇上，要充分考慮其與震級、距離、場地條件三者之間的聯(lián)系，之后對地震動有個科學(xué)的估計，結(jié)合綜上所訴的計算分析從而得出地下結(jié)構(gòu)抗震減震設(shè)計方案。當(dāng)下采用地震原型觀測的方法也存在一定的局限性，一方面是由于觀測技術(shù)的有限，這樣強震觀測所收集的地震動資料不全面，主要體現(xiàn)在收集的資料大都來源于地表面，對于地下結(jié)構(gòu)以及地下深處的觀測上缺乏技術(shù)性，導(dǎo)致不能收集到完善的資料。另一方面，雖然采用地震原型觀測的方法對于研究地下結(jié)構(gòu)抗震分析有一定的優(yōu)勢，即比較直觀，參考價值也較高，但由于目前對于我們還不能準確、及時的預(yù)見地震，這樣對于觀測實驗的周期我們很難把握等待周期，有時會等很久才能實施觀測實驗，這樣對于觀測資料的收集上就存在一定的局限性。七十年代初，日本出現(xiàn)了松化群發(fā)地震，日本地震專家根據(jù)觀測地下管線動態(tài)變化，收集一些數(shù)據(jù)，根據(jù)對這些數(shù)據(jù)的分析得出：在地震中管線與四周的地基一起發(fā)生振動。之后，人們根據(jù)對沉埋的隧道、盾構(gòu)的隧道與山嶺隧道等進行了地震觀測，慢慢的掌握了地下結(jié)構(gòu)的動力特殊屬性，最后總結(jié)出地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與地基變形有著密切的關(guān)系，而與地下結(jié)構(gòu)慣性力幾乎沒有關(guān)系。

2.2貫穿福季耶娃法

前蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃對地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的動力學(xué)有自己獨特的見解，關(guān)于P波及S波波長和隧道洞徑的關(guān)系上作出了細致的分析，如果隧道埋深比洞徑大3倍，隧道長度比洞徑大5倍，那么地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的動力學(xué)，可通過圍巖荷載的彈性力學(xué)來有效的解決。如果基巖土體呈現(xiàn)線彈性變形，那么地震作用時產(chǎn)生的對隧道圍巖的應(yīng)力和襯砌內(nèi)力的計算，可根據(jù)線彈性理論動力學(xué)問題來解決。

2.3運用反應(yīng)位移法

1970年，日本地震研究專家根據(jù)對地震觀測，分析出了地下線狀結(jié)構(gòu)物有效抗震的方案，這也就是我們所說的反應(yīng)位移法。這種方法的基本原則選用具有彈性的地基梁來模仿地下線狀結(jié)構(gòu)物，通過對地震發(fā)生時地基的移動，作為已知條件來解決彈性地基上所承受的動力，這樣可以清晰的了解地基梁上所承受的應(yīng)力，這樣可方便計算地下結(jié)構(gòu)所承受的地震反應(yīng)力，例如隧洞、各種管道、豎井等等產(chǎn)生地震反應(yīng)力的計算。這類方案的關(guān)鍵步驟在于確定地動變位與抗力系數(shù)Ks，一般來講把抗力系數(shù)Ks呈現(xiàn)對角陣， 在這里K或者Ks就可以看作文克爾彈簧常數(shù)或地基土介質(zhì)的彈簧常數(shù)。反應(yīng)位移法的理論基礎(chǔ)是根據(jù)地震時地下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反應(yīng)進行研究，地下結(jié)構(gòu)對于地震反應(yīng)在地基變形上，而不是說對于結(jié)構(gòu)物的自身的慣性力，這種方法對于沉埋隧道的抗震設(shè)計中是十分有效的。

在反應(yīng)位移法之外，日本地震研究人員還結(jié)合對地震的長期觀測，從收集的地震中地下結(jié)構(gòu)波動理論分析的結(jié)果上看，研究出可其他兩種有效果的抗震分析方法：一是運用圍巖應(yīng)變傳遞的方法。這種方法主要依據(jù)地震波動場分析的基本思想，對各種管道、海底的隧道、地下的油庫等等地下結(jié)構(gòu)進行地震分析，從觀察地震波形和周圍巖土介質(zhì)地震應(yīng)變的波形，我們可以總結(jié)出兩種波形在原理上幾乎完全相似，這樣對于地下結(jié)構(gòu)的地震應(yīng)變與周圍巖土介質(zhì)的地震應(yīng)變的關(guān)系我們就可以清晰的分析出來。這類方案的關(guān)鍵在于對地動強度相符合的圍巖應(yīng)變的肯定和設(shè)計。二是選用地基抗力系數(shù)方案。應(yīng)多點緊縮彈簧和剪切彈簧舉行摹擬四周巖土介質(zhì)的作用，利用梁元素來舉行摹擬地下結(jié)構(gòu)。這類方案大抵分三個步調(diào)來完成：比較四周的巖土介質(zhì)彈簧常數(shù)；計算圍巖地震變位；比較地下結(jié)構(gòu)地動反應(yīng)。這類方法在日本核電廠耐震設(shè)計技術(shù)中被有效的利用。

2.4采用模型實驗法

模型試驗專研可分兩部分，一是人工震源試驗，二是振動臺試驗。依據(jù)不同的施加動力類型，可以把振動臺實驗可分為三部分，即簡諧的振動、模擬地震的振動和天然的振動。但不適用非線性階段疊加原理，因此要選用模擬地震振動的振動臺。此外，由于起震力很小，人工震源實驗法有一定的弊端，即對于建筑物的非線性性質(zhì)和地基斷裂等因素導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響反應(yīng)不明顯，所以此方法不適合在類型地震研究分析中運用。

總體來說，由于方法在應(yīng)用范圍上有一定的局限性，所以在分析方法的選擇上要有目的性。目前在對于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究方面還存在許多不足，一方面它們對于不規(guī)則的地震波，在周期方向傳播上考慮還不是很全面，這樣就導(dǎo)致問題過于簡單化了，另一方面，對于衰減的靜力解考慮不周到。然而，實際上的地基變形與時間的變化是成比例的，我們對于動力輸入的影響應(yīng)該做好思考。所以，對于地下結(jié)構(gòu)的動力特性的準確地反映，我們首要的任務(wù)就是做好數(shù)據(jù)的采集與分析，這樣運用合理的方法才能準確的反映地下結(jié)構(gòu)的動力特性。

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