综述地下结构工程抗震分析方法

王苓举 堵金涛

【摘  要】近几十年来，地下结构在城市建设、交通运输、国防工程、水利工程等各个领域得到了越来越广泛的应用。同时，地下空间的开发利用已逐步向节省能源、解决城市交通、保护环境等方向发展，但其抗震分析的研究还存在着亟待解决的问题。

【关键词】地下结构工程;抗震分析;问题;措施

我国是一个经常发生地震的国家，近年来更是频繁发生，而且震害相对来说都比较严重，因此分析地震作用下地下结构工程的破坏机理以及如何提升结构的抗震能力成为当前研究的一个重要课题。但就目前的情况来说，建筑行业的一些设计人员没有形成对地下结构工程抗震设计的正确认识，对建筑容易受地震损害的原因认识不清楚，从而导致在设计中出现各类问题。

1地动产生时地下构造项目奇特的反映

地面的建筑物在遭遇地震侵袭的时候反应通常是建筑物自身的动力反应，导致建筑物倒塌或者变形，而地下结构由于与土体紧密相连，当遭遇地震的时候，建筑物会与四周的土体产生动态反应。但发生地震的时候，基岩受地震波的影响，一点点的有软土层渗透到结构物上，从而使结构物被破坏，而还有一些地震波经过反射到土层，对土层又造成破坏，从而形成恶性循环，由此我们可以分析出地震发生时地下结构工程独特的反应：

（1）地下结构在遭受地震的时候由于四周土质的制约，自身的动力反应不强烈。

（2）地下结构的存在有效的减少了地动对四周地基的影响（特指相对于地震波长来讲，地下结构物的尺寸较小）。

（3）地震波入射方向对于地下结构的形态产生很到的振动效果，及时地震波的入射方向发生微小的变化，地下结构也将受到严重的变形。

（4）地下结构相比地面结构，在接受振动的时候各点的相位差比较显著。

（5）地下构造在振动中的应变受地动加速度的快慢的影响比较小。

（6）地下构造的地动反应大小不分深基础和浅基础。

2地下布局抗震剖析的有效途径

2.1采取地动原型观察的方式

地震原型观测的方法具体实施手段是结合地下结构在地震时的动力特殊属性，并进行合理的观测，从而达到掌握地下结构对地震动反应的目的。首先根据长期以来对地震的观测，把各个地区地震裂度有效的划分，并进行科学的复核和校订，同时结合实际需要建立一个适应的数据库。这种做法的本质就是根据对所收集的数据进行整理和分析，对地震动和结构反应特性有个充分的掌握，这样对于研究地下结构物抗震、减震问题有个很好的参考，在这个数据库中可收入引起结构物破坏的地震动参数，同时对这些参数的选择上，要充分考虑其与震级、距离、场地条件三者之间的联系，之后对地震动有个科学的估计，结合综上所诉的计算分析从而得出地下结构抗震减震设计方案。当下采用地震原型观测的方法也存在一定的局限性，一方面是由于观测技术的有限，这样强震观测所收集的地震动资料不全面，主要体现在收集的资料大都来源于地表面，对于地下结构以及地下深处的观测上缺乏技术性，导致不能收集到完善的资料。另一方面，虽然采用地震原型观测的方法对于研究地下结构抗震分析有一定的优势，即比較直观，参考价值也较高，但由于目前对于我们还不能准确、及时的预见地震，这样对于观测实验的周期我们很难把握等待周期，有时会等很久才能实施观测实验，这样对于观测资料的收集上就存在一定的局限性。七十年代初，日本出现了松化群发地震，日本地震专家根据观测地下管线动态变化，收集一些数据，根据对这些数据的分析得出：在地震中管线与四周的地基一起发生振动。之后，人们根据对沉埋的隧道、盾构的隧道与山岭隧道等进行了地震观测，慢慢的掌握了地下结构的动力特殊属性，最后总结出地下结构地震反应与地基变形有着密切的关系，而与地下结构惯性力几乎没有关系。

2.2贯穿福季耶娃法

前苏联学者福季耶娃对地下结构地震反应的动力学有自己独特的见解，关于P波及S波波长和隧道洞径的关系上作出了细致的分析，如果隧道埋深比洞径大3倍，隧道长度比洞径大5倍，那么地下结构的地震反应的动力学，可通过围岩荷载的弹性力学来有效的解决。如果基岩土体呈现线弹性变形，那么地震作用时产生的对隧道围岩的应力和衬砌内力的计算，可根据线弹性理论动力学问题来解决。

2.3运用反应位移法

1970年，日本地震研究专家根据对地震观测，分析出了地下线状结构物有效抗震的方案，这也就是我们所说的反应位移法。这种方法的基本原则选用具有弹性的地基梁来模仿地下线状结构物，通过对地震发生时地基的移动，作为已知条件来解决弹性地基上所承受的动力，这样可以清晰的了解地基梁上所承受的应力，这样可方便计算地下结构所承受的地震反应力，例如隧洞、各种管道、竖井等等产生地震反应力的计算。这类方案的关键步骤在于确定地动变位与抗力系数Ks，一般来讲把抗力系数Ks呈现对角阵，在这里K或者Ks就可以看作文克尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。反应位移法的理论基础是根据地震时地下结构所产生的反应进行研究，地下结构对于地震反应在地基变形上，而不是说对于结构物的自身的惯性力，这种方法对于沉埋隧道的抗震设计中是十分有效的。

在反应位移法之外，日本地震研究人员还结合对地震的长期观测，从收集的地震中地下结构波动理论分析的结果上看，研究出可其他两种有效果的抗震分析方法：一是运用围岩应变传递的方法。这种方法主要依据地震波动场分析的基本思想，对各种管道、海底的隧道、地下的油库等等地下结构进行地震分析，从观察地震波形和周围岩土介质地震应变的波形，我们可以总结出两种波形在原理上几乎完全相似，这样对于地下结构的地震应变与周围岩土介质的地震应变的关系我们就可以清晰的分析出来。这类方案的关键在于对地动强度相符合的围岩应变的肯定和设计。二是选用地基抗力系数方案。应多点紧缩弹簧和剪切弹簧举行摹拟四周岩土介质的作用，利用梁元素来举行摹拟地下结构。这类方案大抵分三个步调来完成：比较四周的岩土介质弹簧常数;计算围岩地震变位;比较地下结构地动反应。这类方法在日本核电厂耐震设计技术中被有效的利用。

2.4采用模型实验法

模型试验专研可分两部分，一是人工震源试验，二是振动台试验。依据不同的施加动力类型，可以把振动台实验可分为三部分，即简谐的振动、模拟地震的振动和天然的振动。但不适用非线性阶段叠加原理，因此要选用模拟地震振动的振动台。此外，由于起震力很小，人工震源实验法有一定的弊端，即对于建筑物的非线性性质和地基断裂等因素导致地下结构地震反应的影响反应不明显，所以此方法不适合在类型地震研究分析中运用。

3结束语

总体来说，由于方法在应用范围上有一定的局限性，所以在分析方法的选择上要有目的性。目前在对于地下结构地震反应的研究方面还存在许多不足，一方面它们对于不规则的地震波，在周期方向传播上考虑还不是很全面，这样就导致问题过于简单化了，另一方面，对于衰减的静力解考虑不周到。然而，实际上的地基变形与时间的变化是成比例的，我们对于动力输入的影响应该做好思考。所以，对于地下结构的动力特性的准确地反映，我们首要的任务就是做好数据的采集与分析，这样运用合理的方法才能准确的反映地下结构的动力特性。

参考文献：

[1] 林皋，地下结构抗震分析综述（上）[J].世界地震工程，2011，（2）：1-10.

[2] 周德培，地铁抗震设计准则[J].世界隧道，2012，（2）：36-45.

[3] 福季耶娃，地震区地下结构支护的计算[M].徐显毅译.北京：煤炭工业出版社，2012