淺析地下結構抗震的設計與對策

摘要：隨著地下結構工程的快速發展，提高其抗震性能是當今工程建設的重要研究方向。本文簡要說明了地下結構地震反應的特點，并詳細介紹了目前常見的地下結構抗震設計方法，并對其選取進行了分析說明，為地下結構設計人員提供了理論設計依據。

關鍵字：地下結構；地震反應；抗震設計

1.引言

長期以來人們普遍認為地下結構的數量少且抗震性能又優于地面建筑，因此對地下結構的抗震設計沒有充分重視。然而，近幾十年來，隨著地下結構工程在我國各大中城市的大量修建，功能與用途也日趨增多，但頻繁的地震破壞給社會帶來了巨大的人員和經濟損失，因此地下結構抗震問題也日益受到世界各國地震工作者的關注，地下結構的抗震研究已成為目前地震工程界的研究熱點[1-3]。現在人類應對地震造成的建筑物破壞，主要采取兩個方面的措施來解決：一方面是通過減小地震震動的輸入來控制地震動影響建筑物，使建筑物處于在承受的范圍之內；另一方面通過改變建筑物本身的性能來適應或應對地震動，以減小對建筑物的影響。地震時帶來的地震震動使大地發生位移后，在建筑物上產生了附加的力和位移。無論是地上結構還是地下結構，要使地震對結構本身的影響最小，均需要從這兩個方面來考慮采取具體的方法與對策。

2.地下結構地震反應的特點

地下結構和地面結構的地震反應存在明顯的區別。當發生地震時，地面結構的地震反應主要以其本身的動力反應為主，而地下結構因為被土體所約束，會與周圍的土體發生動態相互作用。地震波由基巖經軟土層傳至結構物，引起結構運動和變形并且部分地震波經反射入土層，對其產生反作用。模型邊界波的能量向半無限空間輻射，引起能量的損失。因此，地下結構地震反應的特點如下：

1） 周圍地基土壤顯著影響約束著地下結構的振動變形，地下結構的動力反應表觀出自振特性現象一般不明顯。

2） 地下結構基本不會引起周圍地基的震動，即地下結構的尺寸要遠遠小于地震的波長。

3） 地震波的入射方向嚴重影響著地下結構的震動形態，地震波的入射方向發生較小偏移或者改變時，可能會引起地下結構各點變形和應力的較大變化。

4） 地下結構在震動中各點的相位差別比地面結構明顯。

5） 地下結構在振震動中的主要應變一般與地震所產生位移場大小有密切關系，而與地震加速度大小關系較小。

6） 地下結構的地震反應與其填埋深淺變化的關系不大。

7） 地下結構和地面結構與地基的相互作用，都會影響其動力反應，但影響的方式和程度則存在明顯差異。

3.地下結構抗震設計方法

地下結構抗震設計經過多年的研究發展，目前存在的設計方法較多[4]。一般工程設計人員可能無法根據其實用性來恰當合理的判斷并選用一種或多種進行抗震設計，也無法了解各種設計方法計算結果的差異性規律。本文根據地下結構地震反應的特點，對常見的地下結構抗震設計方法進行簡要說明，為設計人員提供一定的理論依據。

3.1反應位移法

反應位移法認為地震時主要地震荷載為周圍地層的變形，根據具體的地質條件沿地下結構的縱向或者橫斷面的深度方向判斷地層變形，將地震時地層產生的位移差通過地基彈簧以靜荷載的形式作用在結構物上，然后求得結構物上的應力大小。當地下結構的剛度較大而密度小于地層時，其縱向變形取決于周圍地層的位移，包括縱軸水平和豎直方向的位移。計算過程中需要利用最危險的瞬時地層變形分布輸入體系，并從地震時的地層變形、覆土影響、土壓、結構本身的慣性力、液化影響、水壓及浮力等方面進行綜合考慮。

3.2等效靜載法

地震加速度在結構中產生的慣性力可以被認為是地震荷載，計算其施加在結構物上的應力和變形，進而判斷結構的安全性和穩定性，該方法被稱為等效靜載法，適用于地震荷載中慣性力占支配作用的結構物。當地下結構物的重力大于周圍地層重力時，結構物自身慣性力起支配作用，響應加速度與周圍地層加速度基本相同。但是較柔地下結構則響應不同，需要修正等效靜載法。當計算結構承受荷載時，除受到的地震慣性力外，還應該考慮土壓、內部液體的動壓力等。

3.3BART隧道設計法

BART隧道設計法起源于美國20世紀60年代末修建舊金山海灣地區的快速運輸系統（簡稱BART）中采用的地下結構抗震設計準則。它包括抗震特點、變形限制、土體不連續影響、內部構件、附屬構件、細部結構、土壓力、臨時結構等抗震設計內容。該方法假定土體在地震期間不會喪失完整性，且只考慮地震作用下隧道結構的振動效應。在抗震設計中，提供結構有效的韌性來吸收土體強加到結構的變形，同時不使其承受靜載的能力喪失。

3.4平面有限元整體動力計算法

平面有限元整體動力計算法是根據其動力響應特性，分別以合適的力學模型離散化地層和結構體系，生成網格體系，設計整個體系的輸入地震波形，并且計算整個力學模型的時間響應，從而求得在設計地震波作用下結構物的各部分應力和變形的時間歷程。

3.5質點—彈簧模型

該模型用于沉管隧道的抗震設計。假設圍巖是由單一的表土層和其下方的堅硬基巖組成，其自動特性不受隧道存在的影響，地下結構在地震產生的應變中起主導作用的是表土層的剪切基本振動振型，結構自身慣性力對其動力形態有較小影響，可以不予分析考慮，根據圍巖變形計算結構變形，地下結構被作為一彈性地基。

3.6節段長度法

節段長度法以土與結構相互作用作為準靜態問題考慮，提供不同剛度的結構、土壤以及各種節段長度結構的最大彎矩和最大拉力，特點是結構的節段長度可以用來進行結構縱軸應變和應力的調整，常用有拉伸模型和彎曲模型。

3.7設計反應譜法

假定地震時的結構位移最大等于周圍地層的位移，從土壤到結構的“位移傳遞比”取決于土壤和結構的剛度，即假定不破壞周圍土體，根據強地震運動的加速度記錄計算譜圖，然后利用地下結構作為彈性介質靜態的處理方法來計算位移傳遞比。

4.抗震設計方法的合理選擇

上述幾種抗震設計方法可以按照所研究對象的空間性來分類，可以分為以下幾類：（1）橫斷面抗震設計方法：反應位移法（橫斷面）；等效靜力荷載法；BART隧道設計法（橫斷面）；平面有限元整體動力計算法。（2）縱向抗震設計方法：反應位移法（縱向）；BART隧道設計法（縱向）；質點—彈簧模型；節段長度法；設計反應譜。（3）三維有限元整體動力計算方法。

為了合理選擇上述地下結構的抗震設計方法，提高工程的抗震能力，首先應該根據地下結構類型、特點和所處地質情況，其次需要結合所研究的重點，如結構的橫向荷載、位移和動力特性與縱向部位之間存在著很大的差異，此外在模型的選擇、條件和約束邊界的選取與簡化等方面也有差異。為了提高地下結構抗震的可靠性，提高計算的準確度，對于地下結構的選址，應該盡量遠離地震活斷層和不穩定的地帶，避免巖層風化的區域和飽和砂土地基，并且加強出入口的抗震性能設計。

5.結束語

地下結構的地震表現形式多樣，破壞機理復雜且影響因素較多。近年來對地下結構的抗震設計和分析研究工作已取得了一些成果，但還沒有形成一個系統完善的抗震設計方法。因此，在實際工程中要能夠更好地達到抗震目的，筆者認為需要了解地震作用機理，依據工程類別經驗、結構選址、建筑材料選用和施工質量控制等方面去綜合考慮地下結構的抗震設計方法與對策。

參考文獻

[1] 孫鐵成，高波，葉朝良.地下結構抗震減震措施與研究方法探討[J].現代隧道技術，2007，44（3）.

[2] 張俊海，申岳國，夏逸平，等.地下結構抗震設計方法綜合對比[J].四川職業技術學院學報，2011，21（2）.

[3] 陶連金，王文沛，張波，等.地鐵地下結構抗震設計方法差異性規律研究[J].土木工程學報，2012，45（12）.

[4] 白廣斌，趙杰，汪宇.地下結構工程抗震分析方法綜述[J].防災減災學報，2012，28（1）.

作者簡介：

龍云（1981-），性別：男，籍貫：四川省資中縣，工作單位：中鐵二院，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：地下工程

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