關于地下結構抗震設計的幾點思考

金曉波

杭州鐵路設計院有限責任公司 310006

摘要：隨著地下建筑物的增多，地下結構抗震設計成為了重點工程之一。地下結構抗震尤其特定的原理，必須要從特定的原理出發展開設計才能夠保證設計的有效性和科學性，滿足抗震的需要。本文結合工作經驗主要將從以下幾個方面來具體分析地下結構抗震設計進行分析。

關鍵詞：建筑工程；地下結構；抗震設計；思考

一、結構和土相互作用的分析模型

在地震作用時，地鐵等地下工程結構和土會出現彈塑性和非線性的特點，相互之間的接觸有可能出現局部的滑移和脫離。因此，在建立結構和土相互作用結構模型時要考慮結構材料的非線性、結構和地基接觸的非線性、近場地基和遠場地基的非線性等因素。目前對這幾種非線性的單個研究已經很成熟，但是在實際工程中如何綜合利用這些非線性的研究成果來建立合理的地鐵等地下工程結構的分析模型還要進一步的討論。

地鐵車站等地下結構受到場地周圍地基地震反應的影響十分顯著，在地震作用時，地鐵周圍的土特別是上層覆土的重力作用對地鐵結構的影響不容忽視，因此，如何在分析模型中體現地鐵地基的靜力作用和地基的半無限性也是一個很重要的問題。解決這一問題主要靠合理的設定靜力人工邊界和動力人工邊界，但是目前的邊界模型一般來說不適合應用與地下結構，很有必要發展一種對靜力分析及動力分析都可以適用的靜力—動力人工邊界，直接在邊界上輸入地震波，計算結構的地震反應。

二、地下結構地震動反應的特點及其基本分析方法

從以往的震害報道中可以看出，地下結構與地面結構的振動特性有很大的不同：

1、地下結構的振動變形受周圍地基土壤的約束作用顯著，結構的動力反應一般不明顯表觀出自振特性的影響；

2、地下結構的存在對周圍地基震動的影響一般很小（指地下結構的尺寸相對于地震波長的比例較小的情況）；

3、地下結構的振動形態受地震波入射方向的影響很大，地震波的入射方向發生不大的變化，地下結構各點的變形和應力可以發生較大的變化；

4、地下結構在振動中各點的相位差別十分明顯，而地面結構各點在振動中的相位差不很明顯；

5、地下結構在振動中的應變一般與地震加速度的大小聯系不很明顯；

6、地下結構的地震反應隨埋深發生的變化不很明顯；

7、對地下結構和地面結構來說，它們與地基的相互作用都對它們的動力反應產生重要影響，但影響的方式和影響的程度則是不相同的。

地下結構抗震設計計算方法，從力學特性上可分為擬靜力計算方法和動力反應分析方法兩類。由于地震是動力作用，顯然動力反應分析方法應是理想的抗震設計方法。但是動力反應分析方法消耗計算機資源大，計算時間長，更重要的是動力反應分析需要高度的多方面專業知識和技能，對技術人員素質要求很高，且操作繁雜，對計算結果的評價也不容易，因此，國際上通常使用擬靜力計算方法。我國現行地鐵設計規范中關于抗震設計部分，也是規定基本采用反應位移法或地震系數法的擬靜力計算方法進行分析。

三、地下結構抗震設計中常用方法

最早形成擬靜力計算方法雛形是在上世紀60年代，60年代初，前蘇聯學者在抗震研究中將彈性理論應用于地下結構，以此求解均勻介質中關于單連通和多連通域的應力應變狀態，得出了地下結構地震力的精確解和近似解。60年代末，美國在建設快速地鐵運輸系統（BART）時，對地下結構抗震進行了較深入的研究，提出了地下結構并不抵御慣性力而是具有強加變形的延性，同時還不散失其承受靜荷載力等新的設計思想。到了70年代后期和80年代，日本學者依據地震觀測和模型試驗資料，結合波動理論，提出了反應位移法、應變傳遞法等實用的擬靜力計算方法，大大豐富了地下結構的抗震理論。

1.ST.John法

該法以彈性地基梁模型來考慮土-結構的相互作用問題，但忽略了土體與結構之間的動力相互作用，是一種擬靜力分析力方法。該法認為在地震荷載作用下，隧道截面產生與自由場的軸向、彎曲和剪切變形相對應的軸向、彎曲和剪切應變。

由地震波引起的地下結構承受的地震荷載，按其受載方式可分為3種。

（一）彎曲荷載：它是由地震波沿著與隧道軸線平行的方向傳播而產生的，其結果導致隧道在縱向和

橫向平面內的變形。

（二）橫向荷載：它是由橫向傳播的剪切（SH）波、壓縮（P）波、Rayleigh波、Love波等在隧道外壁產生的

動力剪應力和門應力引起的。

（三）軸向荷載：它是由平行于隧道軸向的質點運動產生的。

ST.John法在是否考慮土與結構的相互作用時，引入了Peck教授提出的柔度比概念，即：如果柔度比F>20，則認為襯砌是完全柔性的，土體與結構不發生相互作用，地下結構屈從于周圍介質一起運動；

如果柔度比F<20，則土體與結構發生相互作用，地下結構阻止土體的變形。

2、Shukla法

美國學者Shukla等人在20世紀80年代初應用彈性地基梁原理，采用擬靜力方法來考慮土體與結構的相互作用，建立了地下結構的數學模型。地震波在長大的地下結構內傳播時，會在垂直于結構軸線的截面內產生橫向應力，在平行于地下結構軸線方向上產生軸向應力及彎曲應力。

3、反應位移法

反應位移法的計算模型是將土以等效剛度的彈簧來代替，結構設為梁單元，土與結構的相互作用通過土彈簧和梁單元連接的方式表現。地震荷載在模型上施加方法為：

（一）以地震時一維自由土層在結構上下底位置相對水平位移達到最大值時的位移作為強制位移施加到土體彈簧遠離梁單元的一端；

（二）將地震時結構接觸面位置自由土層的剪應力離散為接觸面切線方向的結點力，施加到接觸面的梁單元結點上；

（三）假設地震時自由土層的反應加速度與結構的反應加速度是一致的，將其作為體力轉化成橫向結點力施加于結構全體的梁單元上。

4、有限元反應加速度法

八十年代以后，隨著有限元數值模擬方法的改進，針對反應位移法的缺陷，國際上如日本等國在許多工程中采用有限元模型的擬靜力分析方法，其中被廣泛接受的是有限元反應加速度法。其基本模型是將土分割為二維平面應變有限元，結構作為梁單元與其連接。計算地震荷載的方法也是首先進行一維土層反應計算，從中抽出地下結構上、下底位置發生最大相對位移時刻隨土層深度分布的水平向加速度值，然后將其轉化成節點力離散到有限元模型的土層和梁元素各節點上。這里，地震時土單元的剛性值可通過一維土層反應分析時得到的收斂剪切模量計算得出。

該方法由于直接將土劃分為二維平面應變有限元，不用計算土的彈簧剛性值，因而消除了反應位移法中確定土彈簧時所帶來的誤差，并能夠真實地反映與土相連的結構角部的應力畸變情況，計算精度較反應位移法有所提高。

四、抗震設計方法的合理選擇

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。

五、結束語

總的來說地下結構抗震設計的重點很多，必要時從客觀的角度出發，分析抗震設計的基本原理，進而按照需要，采用符合實際情況的設計方法，保證設計的有效性。

參考文獻：

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