地下結構抗震研究現(xiàn)狀及展望

孟祥博，李洋洋，趙 朕，單喜壘，崔家瑋

（中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，大型基礎設施的建設在不斷的完善，建筑工程的研究領域也在不斷發(fā)生著變化，在19世紀時，相關方面的研究主要是圍繞橋梁建設而展開，等發(fā)展到20世紀時，研究范圍擴大，并且主要以高層建筑方面的相關研究為主，21世紀迎來了地下空間的世紀，如今，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，經(jīng)濟實力不斷增強，投資建設能力也十分的雄厚，為了進一步助力經(jīng)濟發(fā)展，我國目前正在興修地鐵，但有很多地鐵修建項目位于高烈度的區(qū)域，地震對于地下的空間構造有著極強的破壞性，對人們的生命與財產(chǎn)有著十分現(xiàn)實和緊迫的威脅，必須予以重視。目前對地下結構的抗震研究已經(jīng)成為當前各界的研究熱點。本文通過在收集國內(nèi)外研究成果的基礎上，對地下結構的抗震理論深入探討，總結實驗研究現(xiàn)狀、數(shù)值模擬分析方法的研究成果并就地下結構抗震的未來發(fā)展趨勢進行了探討。

1 原型觀測

采用原型觀測的方法可以了解地震響應、變形破壞等特征，其主要是通過調(diào)查震害以及對地震進行觀測來實現(xiàn)。對于地震后的結構動力反應以及破壞情況進行實地的觀測[1]。

震害調(diào)查最接近于“原型試驗”的結果，并且是在地震結束以后進行，所以備受大家關注，與之相關資料不斷豐富[2]。相應的地震觀測能夠了解到地下結構在遭遇地震時會如何變化，但因其地震發(fā)生時的難預知性，其研究內(nèi)容不多。

2 理論分析

隨著研究的不斷深入，關于抗震方面的研究也日趨豐富。在20世紀50年代早期，日本就有相關學者提出靜力法計算作為相關研究的主要方法[3]。到20世紀60年代初，有前蘇聯(lián)學者采用彈性理論進行相關研究，通過分析介質(zhì)中單連通和多連通區(qū)在地震時變化，從而得到地震力的精確解或者近似解[4]。20世紀60年代末，流行使用BART法，這一方法是修建舊金山海灣區(qū)的地鐵時被提出來的，該理論認為地下結構不是抵御慣性力，而是可以吸收強化變形的延展性，與此同時，它不會失去承受靜載荷的能力[5]。到20世紀70年代時，日本有相關學者提出反應位移法、圍巖應變傳遞法、地基抗力系數(shù)法，這極大的豐富和發(fā)展了抗震研究理論，具有十分重要的現(xiàn)實意義。所謂反應位移法是指，決定地下結構是都抗震的是周圍的是巖土介質(zhì)，而并不是慣性力，在實驗過程中采用富有彈性的地基梁，地基的位移是已知的條件，在此基礎上測算應力以及變形，對地下結構在地震時的反應做合理的說明。不久，有美國相關的研究人員在彈性地基梁的前提下，采用擬靜力方法來進行相應分析，構建地下結構應力模型和彎曲的數(shù)學模型，以此來計算地下結構的最大拉伸應變、最大拉應力、最大曲率以及最大彎矩。ST.John法是基于柔比度而形成的一種方法，認為在地震的壓力下，隧道的截面所發(fā)生的軸向、變曲程度和剪切變形與自由場呈現(xiàn)對應的關系[8]。

3 數(shù)值模擬分析

劉晶波[9]等通過采用復響應分析方法分析了平行隧道間距、襯砌厚度和材料性能等因素，結果表明并行隧道距離較小時地震反應會發(fā)生較大的變化；在設計抗震的過程中，如果采用反位移法，必須考慮到地基的承受能力；他還認為在地下結構中，將地面與基巖峰值相對位移作為設計地震動的參數(shù)會更科學。楊超等[10]圍繞軟土地鐵車站的構造進行相關研究，采用相應的數(shù)值模擬方式進行分析，其借助拉格朗日差分法進行分析，試驗結果與計算結果基本吻合。楊林德[11]對地鐵車站采用數(shù)值模擬的方式進行研究，相關數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實際后果與數(shù)值計算結果較好的吻合，論證了數(shù)值模擬的合理性。莊海洋等[12]對大開地鐵車站采用數(shù)值開展模擬，給出了其在阪神地震中被破壞的演化過程，由于通過這種方式分析所得到的結論可以很好的說明該車站的破壞過程，因而采樣這一方法對非線性地震反應進行分析。

李建波等[13]利用非線性時程響應模擬，對軟土淺埋地鐵車站的地震的特征與破壞原理展開分析，發(fā)現(xiàn)結構材料模量的提高對結構應力分布特征變化的影響不大，在地下結構抗震設計中不能單純的靠增加結構剛度來提高抗震性能，要綜合考慮場地、地基-基礎接觸條件、地震動特性的影響，進行合理的設計。

孫海峰等[14]建立三層三跨地鐵車站有限元模型，對在S波作用下各個構件交點處的應力進行分析，發(fā)現(xiàn)地震加速度在向上傳播過程中先減小后增大，在土層表面達到最大；墻柱與底板和樓板的交界處應力最大，在進行抗震設計時應進行加固處理。何偉等[15]利用土的非線性本構模型對土在循環(huán)荷載作用下的動力特性進行分析，結果表明隧道頂部的相對位移隨著輸入地震動加速度峰值輸入增大而增大，但是隨著峰值的增加豎向地震動相對位移的影響越來越??；在輸入加速度峰值較小時隧道左右兩側和頂板板低處應力比較集中，隨著加速度峰值的增大，動應力出現(xiàn)在與隧道豎向對稱軸成45°的兩側。

周文濤等[16]根據(jù)時程分析法基本原理，應用有限元軟件對廈門地鐵呂厝站進行分析，結果表明在地震工況作用下，主體結構的相對水平位移峰值較小。蔣錄珍等[17]圍繞大開地鐵車站展開研究，分析了該車站在阪神地震中如何被破壞的，研究結果顯示，該車站的主要由于豎向地震作用引發(fā)的豎向振動在中柱低端引起混凝土被壓碎，導致整個結構被破壞；提出應該加強中柱抗壓強度的設計。

4 未來工作展望

當前，隨著我國人口不斷增加，大量的人口涌入城市，城市土地資源的利用也變得日趨緊張，在這一背景之下，地下空間的開發(fā)使用越來越受到人們的重視，因此對于相關方面的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義與價值，但是相關方面的研究目前還并沒有十分成熟，在許多方面仍應加強研究。因此，筆者認為，在未來的相關研究中，應該注意以下幾點：

（1）應加大相關問題的資料的收集力度，在豐富的理論資料的基礎之上，對其進行科學的整理與分析，對預估地震的發(fā)生和地震觀測給出指導，同時加大對地震觀測的力度。

（2）目前將理論研究轉化為實際的工程應用的技術成果較少，抗震理論在現(xiàn)實中沒有得到很好的應用，因此，在以后的設計中，要充分運用相關理論，使其更好的與現(xiàn)實情況相結合，借鑒相關的經(jīng)驗，使得理論能夠很好的應用到實踐當中去，加強對地下結構的抗震問題的重視。

（3）在相關研究過程中使用數(shù)值模擬的方法，雖然可以快速得到計算結果，但是由于軟件模型本身的不成熟，在模擬過程中考慮真實情況時，由于研究模型以及參數(shù)的選擇不太科學，對所得結果的實際應用能力持謹慎的態(tài)度。