地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法研究綜述

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加速，地下結(jié)構(gòu)的重要性日益凸顯。人們對地下結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)做了大量的工作，但是地下結(jié)構(gòu)抗震問題區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)，研究相對較少。人們普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)的抗震性能要好于地面結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和相應(yīng)的抗震設(shè)計方法與地面結(jié)構(gòu)有著很多的不同。經(jīng)過幾次大地震以后，地下結(jié)構(gòu)的地震破壞也是十分嚴(yán)重的，造成的后果是災(zāi)難性的。在1995年阪神大地震中，造成了大量的地鐵隧道破壞，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。2008年汶川發(fā)生的8.0級大地震導(dǎo)致了多條隧道的坍塌。因此，地下結(jié)構(gòu)的抗震分析是一個值得深究的重要課題。

1 地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特點

在同一地震波作用下，地面結(jié)構(gòu)的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下結(jié)構(gòu)；地下結(jié)構(gòu)由于受到周圍地基土層的約束作用，其反應(yīng)一般表現(xiàn)不出明顯的自振特性的影響；同時，結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)表現(xiàn)出自振特性，但是這種影響非常微弱。地下結(jié)構(gòu)受地震波的入射角度和埋深影響較大；對于地面結(jié)構(gòu)來說，加速度是衡量結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)程度，而對于地下結(jié)構(gòu)主要是由于地基土的變形；隧道的圍巖剛度會影響地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；地下結(jié)構(gòu)所處土層的剪切波速越小其受到的破壞越嚴(yán)重。

2 地下結(jié)構(gòu)抗震分析的基本方法

目前地下結(jié)構(gòu)抗震分析的主要研究方法有［1-2］：原型觀測、模型實驗和理論分析。有效的將三種方法有機的結(jié)合起來，首先通過原型觀測和模型試驗來還原災(zāi)害的變化過程，以此得到災(zāi)害帶來的后果。然后通過數(shù)值模擬來加以驗證，通過正確的數(shù)值模型，改變地下動力參數(shù)來得到災(zāi)變的原因。原型觀測就是觀測地下結(jié)構(gòu)在實際地震作用下的動力反應(yīng)，來了解地下結(jié)構(gòu)的地震相應(yīng)規(guī)律和特點。目前地下抗震研究試驗主要有三種：人工震源試驗是人為產(chǎn)生的地震波作用于模型，由于人為產(chǎn)生的地震波較小，模型處于彈性范圍之內(nèi)，很難真實模擬結(jié)構(gòu)地震的反應(yīng)；振動臺試驗通過相似比制作縮尺模型，可以多角度反映地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以及地下結(jié)構(gòu)和地基土之間的相互作用，是目前最有效的實驗方法；離心機試驗通過采用高速旋轉(zhuǎn)增加模型重力的方法，使模型土體產(chǎn)生與模型相同的自重應(yīng)力。經(jīng)常應(yīng)用于邊坡、水壩的穩(wěn)定性研究。

3 地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

3.1 地震系數(shù)法

地震系數(shù)法是借鑒地上結(jié)構(gòu)抗震分析方法提出的，通常將地震作用等效為靜力荷載施加到地下結(jié)構(gòu)上直接進行抗震計算。把地震荷載分為結(jié)構(gòu)的慣性力、上覆土體的慣性力、結(jié)構(gòu)另一側(cè)的土體抵抗力。耿萍和應(yīng)礎(chǔ)斌［3］等對地震系數(shù)法的上覆土層厚度進行修正，并利用動力時程分析法對修正的地震系數(shù)法驗證，并采用地震系數(shù)法進行隧道抗震計算；何川［4］等對地震系數(shù)法改進，得到改進地震系數(shù)法的實際使用條件。

3.2 自由場變形法

自由場變形法基于地下結(jié)構(gòu)變形主要受周圍地基土的變形影響，忽略地下結(jié)構(gòu)的存在以及地下結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用，認(rèn)為結(jié)構(gòu)的自振特性對其反應(yīng)影響很小，將地震作用下結(jié)構(gòu)位置處的自由場變形施加在結(jié)構(gòu)位置上得到結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力。這種方法最早由Newmark［5］等在20世紀(jì)60年代提出，此后在20世紀(jì)80年代由ST.John［6］進一步改進，推導(dǎo)了不同的地震波以不同的入射角入射引起的隧道應(yīng)變自由場變形法也存在一定的問題：首先未考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，當(dāng)土體剛度和地下結(jié)構(gòu)剛度相差較大時，地下結(jié)構(gòu)的變形可能與實際情況不符。

3.3 柔度系數(shù)法

如果考慮地下結(jié)構(gòu)剛度和地基剛度的差異，在自由場變形法的基礎(chǔ)上，通過一個柔度系數(shù)得到結(jié)構(gòu)變形的方法稱為柔度系數(shù)法土-結(jié)構(gòu)相互作用系數(shù)是結(jié)構(gòu)的等效剪應(yīng)變和對應(yīng)位置自由場剪應(yīng)變的比值。WangJN［7］通過大量的有限元計算推導(dǎo)了地下圓形結(jié)構(gòu)的相互作用系數(shù)，并得出柔度系數(shù)與柔度比的關(guān)系；付鵬程［8］在柔度系數(shù)法的基礎(chǔ)上，分析了均勻彈性介質(zhì)中地下結(jié)構(gòu)與土層的相互作用，得到了簡化的柔度系數(shù)計算方法；龔成林和宋二祥［9］等提出在特定的工況下相互作用系數(shù)的計算方法，并基于數(shù)值計算提出新的荷載加載方法。

3.4 反應(yīng)位移法

地下結(jié)構(gòu)在地震作用下隨周圍土層的約束而變形，地震使周圍土層產(chǎn)生變形，地震作用通過土彈簧以靜荷載的形式作用，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。在結(jié)構(gòu)上并考慮土層相對位移、構(gòu)慣性力結(jié)和結(jié)構(gòu)周圍剪力三種。目前，反應(yīng)位移法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計得到了應(yīng)用，但是由于計算模型、地基土彈簧系數(shù)的選取以及地震作用形式的不同，在計算時存在誤差。川島一彥［10］等對反應(yīng)位移法做了大量的研究，提出了地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)位移法；劉晶波［11］等改進了反應(yīng)位移法，提出地下結(jié)構(gòu)整體式反應(yīng)位移法；禹海濤［12］等通過建立復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，在動力時程分析方法的基礎(chǔ)上，得出反應(yīng)位移法運用于復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)的適用性；蔣通［13］等利用薄層法和容積法推導(dǎo)了層狀基礎(chǔ)-地基的阻抗函數(shù)的統(tǒng)一公式，以此得到各個方向的地基彈簧系數(shù)；賓佳［14］等對靜力有限元法求解地基彈簧進行了研究，改進了彈簧系數(shù)的求法，并驗證了其有效性。

3.5 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法包括：離散元法、有限元法、邊界元法、有限差分法等，其中動力有限元法使用最廣泛。在強震中，地下結(jié)構(gòu)和地基可能呈現(xiàn)明顯的非線性和彈塑性狀態(tài)。有限元法可以模擬復(fù)雜的邊界條件和介質(zhì)的非線性，數(shù)值分析方法將地下結(jié)構(gòu)和地基考慮成一個整體，能真實的模擬地震作用下土-結(jié)構(gòu)之間的相互作用、任意的結(jié)構(gòu)形式、復(fù)雜的地層情況。其使用材料的本構(gòu)模型來模擬地下結(jié)構(gòu)和周圍土體的非線性；數(shù)值分析方法已成為研究地下結(jié)構(gòu)動力問題的重要途徑。陳磊［15］等人利用ABAQUS軟件建立地鐵雙層交叉隧道的三維模型，研究了地鐵雙層交叉隧道的地震相應(yīng)，與淺埋和深埋單層隧道進行比較，得出雙層隧道對地震動具有放大效應(yīng)；劉晶波［16-17］等利用有限元法對雙層地鐵車站、地鐵盾構(gòu)隧道進行了地震響應(yīng)分析；陶連金［18］等人基于FLAC3D對地鐵車站和下穿地鐵隧道進行了三維地震反應(yīng)分析，并與單體隧道的地震反應(yīng)特性對比；景立平［19］等人利用ABAQUS軟件建立地鐵車站二維模型，并對土體的本構(gòu)和混凝土本構(gòu)，邊界條件的選取和阻尼設(shè)置進行了討論。

4 結(jié)語

以上幾種地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法反映了地下結(jié)構(gòu)抗震發(fā)展水平，但是由于有些方法應(yīng)用范圍窄，必須在特定的條件下運用。而且地下結(jié)構(gòu)的抗震問題不僅僅是簡單的土體動力問題和結(jié)構(gòu)動力問題的簡單疊加，反應(yīng)機理非常復(fù)雜，涉及到的因素也非常多。如何對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法改進和修正以更加的真實反映實際情況，是今后的研究重點。

［1］林皋.地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述（上）［J］.世界地震工程，1990（2）.

［2］林皋.地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述（下）［J］.世界地震工程，1990（3）.

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