地下結(jié)構(gòu)震害及抗震分析方法綜述

安騰

摘要：目前，我國(guó)開始大力發(fā)展地下空間，尤其是地鐵工程。通常情況下，地下結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，地震災(zāi)害相對(duì)較少。但是地下結(jié)構(gòu)一旦遭受地震破壞，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失并且難以修復(fù)。本文主要介紹了地下結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害特征以及常用的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法。并且對(duì)比分析了反應(yīng)位移法、自由場(chǎng)變形法和地震系數(shù)法等的特點(diǎn)以及不足。

Abstract： At present， China has begun to develop underground space， especially the subway projects. Usually， the underground structure has good seismic performance， and relatively few earthquake disasters. But if the underground structure is damaged by the earthquake， it will cause serious damage and cannot be repaired. This paper mainly introduces the seismic hazard characteristics of underground structures and compared the methods of seismic analysis of underground structures， such as the reaction displacement method， free field deformation method and so on.

關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu)；地震災(zāi)害；抗震性能；反應(yīng)位移法

Key words： underground structure；earthquake disaster；seismic performance；reaction displacement method

中圖分類號(hào)：TU93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）11-0244-02

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的不斷發(fā)展與人口的迅速增長(zhǎng)，人類對(duì)生活空間的需求也不斷擴(kuò)大，地下結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展便是其真實(shí)寫照。地鐵車站、隧道、地下商場(chǎng)等如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生。但是近年來(lái)，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，尤其是地震對(duì)人類的生活造成極大困擾，許多地下結(jié)構(gòu)因遭受地震作用而發(fā)生破壞[1][2]。因此，在建設(shè)地下結(jié)構(gòu)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)其抗震性能提出更高的要求。

一般情況下，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能相比于地上結(jié)構(gòu)相對(duì)良好，因此多數(shù)已建成的地下結(jié)構(gòu)都沒有考慮抗震性能。但是，地下結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生地震破壞，往往造成的生命財(cái)產(chǎn)損失將是無(wú)法估量的。1995年阪神地震中，大量地下結(jié)構(gòu)尤其是地鐵車站及區(qū)間隧道發(fā)生不可修復(fù)的損壞。而神戶縣的大開地鐵車站中柱發(fā)生破壞導(dǎo)致車站頂板坍塌造成上層覆土層大量沉降。由于此次破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象，從事土木工作的人員才發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的抗震性能并不竟如人意，于是開始重視地下結(jié)構(gòu)的抗震研究。近些中國(guó)各地地震不斷，尤其是四川的汶川地震，使得許多地下結(jié)構(gòu)嚴(yán)重毀壞且不可修復(fù)?，F(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)多為城市交通通道，如地鐵車站及隧道等。一旦破壞不僅造成交通癱瘓，而且容易引發(fā)次生災(zāi)害，使得人們生命財(cái)產(chǎn)損失慘重。因此，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究問(wèn)題顯得更加迫切和重要。

1 地下結(jié)構(gòu)的震害研究

人們對(duì)地震災(zāi)害的記錄主要是從19世紀(jì)初期開始，因?yàn)樵诟绲臅r(shí)候，地下結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)在略少，而且由于其在巖土中故抗震性能相對(duì)于地上結(jié)構(gòu)良好。從19世紀(jì)開始，隨著地下結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展其地震災(zāi)害記錄也愈來(lái)愈多。在研究這些地震災(zāi)害記錄資料后發(fā)現(xiàn)，在同一地震下，地下結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于地上結(jié)構(gòu)，但仍有許多地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中發(fā)生不可修復(fù)性破壞，究其原因是由于其未經(jīng)合理抗震設(shè)計(jì)。并且在這些震害資料中發(fā)現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞后部分還會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等次生災(zāi)害。因此，針對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震性能展開研究究顯得尤為重要。

1995年日本阪神發(fā)生了人類歷史上損失最為慘重的大地震。這次地震導(dǎo)致許多地下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞。其中大開和上澤地鐵車站中大量側(cè)墻產(chǎn)生裂紋并且中柱發(fā)生損壞以及倒塌致使車站結(jié)構(gòu)頂板坍塌，使車站上方道路與地面發(fā)生大量沉降與裂縫。圖1為上澤站和大開站中柱不同破壞模式和頂板坍塌情況[3][4]。

通過(guò)研究大量的地鐵車站震害資料發(fā)現(xiàn)：地鐵車站的破壞多從其中柱開始，即中柱為其薄弱環(huán)節(jié)。根本原因是由于地鐵車站隨著土體一起運(yùn)動(dòng)而發(fā)生較大的相對(duì)位移造成。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性大不相同[5]。地下結(jié)構(gòu)自振特性的變化，即結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度等的變化對(duì)其地震反應(yīng)的影響并不是很大，而地基基巖的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)則應(yīng)當(dāng)重視。

通過(guò)觀測(cè)研究，總結(jié)出地下結(jié)構(gòu)的震害特征主要有以下幾個(gè)方面[6][7]：①地下結(jié)構(gòu)由于受周圍土體的約束故隨著埋深的增加而破壞越小。②地下結(jié)構(gòu)周圍土體環(huán)境（土層、襯砌或圍巖）的剛度越大，結(jié)構(gòu)破壞越小。③地下結(jié)構(gòu)所處地質(zhì)環(huán)境較差（斷層、滑坡、軟弱帶等），或者土層條件發(fā)生較大變化時(shí)，結(jié)構(gòu)易被破壞。④地下結(jié)構(gòu)的出入口、結(jié)構(gòu)剛度和形狀突變部位容易破壞。

2 地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法

地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法有很多，現(xiàn)階段主要有三種：一為原型觀測(cè)法，即通過(guò)對(duì)地震中地下結(jié)構(gòu)的觀測(cè)來(lái)解釋地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)；二是模型實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)振臺(tái)模型試驗(yàn)定性的再現(xiàn)地震現(xiàn)象，以此來(lái)總結(jié)地下結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律分析災(zāi)害后果；最后為理論分析，通過(guò)用數(shù)值方法或解析法建立合理的系統(tǒng)模型來(lái)模擬分析地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征。以上這三種方法各有特點(diǎn)和不足，通常需要將這三種方法結(jié)合起來(lái)以得到地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律。首先通過(guò)原型觀測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及破壞過(guò)程，然后通過(guò)模型試驗(yàn)再現(xiàn)其地震的實(shí)際現(xiàn)象，此過(guò)程中可控制邊界條件和土層性質(zhì)等使得模型試驗(yàn)更加豐富，以定性的研究地下結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的響應(yīng)規(guī)律，最后再利用分析軟件建立合理的數(shù)值模型，模擬地下結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的地震響應(yīng)。

數(shù)值法和解析法是工程設(shè)計(jì)中兩種常用的主流理論分析方法。其中，數(shù)值法是把結(jié)構(gòu)和土體作為一個(gè)整體，在充分考慮土體非線性的基礎(chǔ)上求解得出地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。在數(shù)值法中，運(yùn)用較為廣泛的是動(dòng)力有限元法，該方法利用有限元思想，可以模擬各種復(fù)雜邊界，分析復(fù)雜地質(zhì)條件下結(jié)構(gòu)的破壞，并且計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。并且動(dòng)力有限元法可以與最新計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合，如ABAQUS和 FLAC3D等，使之在分析計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)時(shí)相得益彰。

現(xiàn)階段，針對(duì)地面結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析方法已相對(duì)成熟，但由于地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)對(duì)地震的響應(yīng)大不相同，故不能照搬地面抗震設(shè)計(jì)分析方法。上世紀(jì)中后期，地下結(jié)構(gòu)的抗震理論與設(shè)計(jì)方法才逐漸開始發(fā)展。主要有兩種設(shè)計(jì)分析方法，即動(dòng)力時(shí)程分析法和擬靜力法。動(dòng)力時(shí)程分析法雖然能精確反應(yīng)出結(jié)構(gòu)各個(gè)時(shí)刻的動(dòng)力響應(yīng)，但是計(jì)算工作量過(guò)于龐大而且技術(shù)要求高，難以在工程中實(shí)踐應(yīng)用。鑒于此，許多學(xué)者提出了一系列相關(guān)實(shí)用的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法，即擬靜力法。擬靜力法在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了假設(shè)和簡(jiǎn)化，因此計(jì)算量小，但精度不如時(shí)程分析法。但是該方法能合理反應(yīng)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)，故可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。因此該方法也不失為一種實(shí)用有效的計(jì)算分析方法。

在分析地下結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)，由于地下結(jié)構(gòu)受地基振動(dòng)及周圍土體的影響，結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，如果用三維模型來(lái)模擬，其計(jì)算過(guò)程中的高度非線性導(dǎo)致計(jì)算難以收斂且非常耗時(shí)。針對(duì)上述問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者研究提出了橫斷面和縱斷面抗震設(shè)計(jì)分析方法，即斷面分析法。本文主要對(duì)這兩種方法中的一些算法作簡(jiǎn)要介紹和對(duì)比。

①縱向抗震計(jì)算方法。

反應(yīng)位移法在上世紀(jì)70年代由日本學(xué)者提出，該方法主要用來(lái)模擬計(jì)算地下線性結(jié)構(gòu)，并且認(rèn)為影響地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素為地基變形。

自由場(chǎng)變形法于上世紀(jì)60年代提出，之后由St.John和Zahrah改進(jìn)，推導(dǎo)了隧道由不同入射波從不同角度入射時(shí)的軸向應(yīng)變、剪應(yīng)變等。這種算法常與數(shù)值法相結(jié)合，不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，而且有效實(shí)用，曾用于許多大型工程。

②橫截面抗震計(jì)算方法。

地震系數(shù)法是以靜力理論為基礎(chǔ)，將地震荷載用與之相當(dāng)?shù)撵o荷載替代，從而利用靜力模型來(lái)分析地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的一種方法。這種方法一般用于地下結(jié)構(gòu)重量遠(yuǎn)大于圍巖重量或者地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)合建時(shí)。但是地震系數(shù)法的缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確的反應(yīng)地下結(jié)構(gòu)地震特點(diǎn)，而且當(dāng)結(jié)構(gòu)埋深或土層模量改變時(shí)，該方法的計(jì)算結(jié)果不再準(zhǔn)確。

土-地下結(jié)構(gòu)相互作用法其主要理論依據(jù)為地下結(jié)構(gòu)與巖土介質(zhì)在地震作用下的位移波形相似，從而研究得出。在做橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，該方法將土和地下結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體而建立模型，首先對(duì)自由場(chǎng)地在地震作用下進(jìn)行分析，然后將自由場(chǎng)地的剪切變形乘以相互作用系數(shù)得到結(jié)構(gòu)剪切變形，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等。

反應(yīng)位移法于上世紀(jì)70年代提出，該方法首先應(yīng)用于縱斷面抗震計(jì)算方法中，隨后才逐漸應(yīng)用于橫截面法中。該方法考慮到下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點(diǎn)，將地層在地震作用下產(chǎn)生的相對(duì)位移通過(guò)地基以靜荷載的形式施加在地下結(jié)構(gòu)上，從而計(jì)算求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等。這種方法用靜力的方法求解動(dòng)力問(wèn)題，簡(jiǎn)便有效容易計(jì)算，而且如果各項(xiàng)地震參數(shù)考慮周可以得出較好的結(jié)果。但反應(yīng)位移法也有一定缺陷，首先其土體彈簧剛度值難確定，不論根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是地震觀測(cè)均難以準(zhǔn)確推定，而不同彈簧剛度相對(duì)于結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果相差很大；其次該方法難以體現(xiàn)土體在地震時(shí)的相互作用，故不能真實(shí)反映地震時(shí)土體對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。

地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析根據(jù)地上結(jié)構(gòu)的 PUSHOVER分析方法而研究得出。該方法中需重點(diǎn)考慮水平荷載的分布形式，即對(duì)各土層和結(jié)構(gòu)按照所處位置施加相應(yīng)的水平加速度，考慮其水平慣性力，從而分析計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，我們知道世界各國(guó)都已開始關(guān)注地下結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題，并且提出了一些分析地下結(jié)構(gòu)抗震的方法。目前，我國(guó)開始在一、二線城市大力修建地鐵，而且許多地鐵工程處于高烈度區(qū)，故更需要開展更加深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，完善現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法，提出優(yōu)良的地下結(jié)構(gòu)抗震體系。這對(duì)我國(guó)城市建設(shè)有著重要的工程價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢七虎，陳志龍，王玉北.地下空間科學(xué)開發(fā)與利用[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2]Hashash Y M A， Park D， Yao J I. Ovaling deformations of circular tunnels under seismicloading，an update on seismic design and analysis of underground structures[J]. Tunnelling andunderground space technology， 2005， 20（5）：435-441.

[3]Jiang L Z， Chen J， Li J. Seismic response of underground utility tunnels： shaking table testingand FEM analysis[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2010， 9（4）：555-567.

[4]于翔，趙躍堂，郭志昆.人防工程的抗地震問(wèn)題[J].地下空間， 2001，21（1）：28-32.

[5]沈慧.盾構(gòu)隧道地震反應(yīng)分析研究[D].大連理工大學(xué)，2006.

[6]Hashash Y M A， Hook J J， Schmidt B， et al. Seismic design and analysis of underground structures[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2001， 16（4）： 247-293.

[7]李彬.地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析與應(yīng)用研究[D].清華大學(xué)，2005.