地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

【摘要】 隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也提出了更高的要求。尤其與地上建筑結(jié)構(gòu)相比，抗震性能優(yōu)越且震害較少，但相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的地下建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論仍處于較為落后階段。因此本文將對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行探析。

【關(guān)鍵詞】 地下建筑結(jié)構(gòu)；抗震性能；抗震措施

前言：近年來(lái)，地下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)大且空間不斷開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)，導(dǎo)致由地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的震害 問(wèn)題越來(lái)越多。其原因在于人們過(guò)于忽視地層位移或變形過(guò)程中地下建筑結(jié)構(gòu)的變化。因此對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的分析具有十分重要的意義。

一、地下建筑結(jié)構(gòu)的基本概述

（一）地下建筑結(jié)構(gòu)的類(lèi)型分析

現(xiàn)階段，以實(shí)用功能為依據(jù)對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)主要可分為七類(lèi)，即：公共建筑、交通建筑、居住建筑、地下工業(yè)建筑、建筑綜合體、防護(hù)建筑以及倉(cāng)儲(chǔ)建筑等。若以空間形狀為依據(jù)，其又包括空間地下建筑與長(zhǎng)線性地下建筑。若從地下結(jié)構(gòu)型式分，其又可分為附建式結(jié)構(gòu)、淺埋式結(jié)構(gòu)、沉井法結(jié)構(gòu)、地道式結(jié)構(gòu)、連續(xù)墻結(jié)構(gòu)等。

（二）地下建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

作為地下結(jié)構(gòu)的一部分，地下建筑結(jié)構(gòu)可理解為在巖層或土層間建造的構(gòu)筑物與建筑物。相比地面結(jié)構(gòu)，地下建筑結(jié)構(gòu)具有自然防護(hù)能力強(qiáng)、受外界因素影響小、地質(zhì)條件影響大、施工條件特殊且需要進(jìn)行照明、防排水、防潮以及通風(fēng)等處理。

（三）地下結(jié)構(gòu)震害特性分析

以我國(guó)1976年唐山地震所造成的地下人防工程破壞、1999年臺(tái)灣地震中地下工程的破壞、1995年日本阪神地震地下商場(chǎng)、隧道以及通道等破壞為例，對(duì)地下結(jié)構(gòu)震害的特性可總結(jié)為：第一，與地上結(jié)構(gòu)相比，其地震破壞程度較低。第二，相比巖石中結(jié)構(gòu)，土中的地下結(jié)構(gòu)容易被破壞。第三，地下結(jié)構(gòu)破壞程度主要受強(qiáng)震持時(shí)的影響。第四，受邊坡失穩(wěn)影響，地下隧道的地面處會(huì)受到嚴(yán)重破壞[1]。。

二、地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析方法研究

（一）地下建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先應(yīng)考慮一定的問(wèn)題，具體包括抗震等級(jí)、材料等級(jí)、活荷載值、地基承載能力、實(shí)際施工過(guò)程中需注意的事項(xiàng)以及相關(guān)信息是否通過(guò)施工圖表達(dá)出來(lái)等。而且其作為基本的建筑類(lèi)型，在結(jié)構(gòu)安全等級(jí)與建筑物使用年限方面也應(yīng)著重考慮，特別在地下建筑結(jié)構(gòu)中所涉及的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)以及建筑結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)等級(jí)等方面。同時(shí)，地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還需考慮地基土層與持力層的承載能力、地基土凍結(jié)深度以及不良地質(zhì)作用等問(wèn)題。另外，地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火等級(jí)也有具體的要求。實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)注意遵循基本的規(guī)范要求并做好驗(yàn)收工作，避免因設(shè)計(jì)或施工存在的問(wèn)題導(dǎo)致地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能不高的情況發(fā)生[2]

（二）框架式地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析方法

1.靜力法

靜力法的應(yīng)用主要指對(duì)不斷發(fā)展變化的地震力通過(guò)等代的靜地震荷載進(jìn)行代替，然后對(duì)地震荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)力利用靜力計(jì)算模型綜合分析。其中等代的地震荷載可分為結(jié)構(gòu)自身的慣性力、主動(dòng)側(cè)向土壓力的量以及洞頂處土柱的慣性力等。這種方式一般適用于對(duì)結(jié)構(gòu)橫斷面的抗震計(jì)算。

2.地基抗力系數(shù)法

在對(duì)橫斷面進(jìn)行地震反應(yīng)分析過(guò)程中，常利用以互相作用計(jì)算模型為基礎(chǔ)的地基抗力系數(shù)法，尤其對(duì)于全埋設(shè)或半埋設(shè)的地下建筑結(jié)構(gòu)也比較適用。這種方式會(huì)將地下建筑結(jié)構(gòu)巖土介質(zhì)作用以多點(diǎn)壓縮彈簧或剪切彈簧代替。具體計(jì)算主要分為三個(gè)步驟：第一，計(jì)算代替巖土介質(zhì)的彈簧常數(shù)。第二，計(jì)算巖土地震變位。第三，計(jì)算地震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。另外，計(jì)算巖土抗力彈簧時(shí)，所利用的方式主要為靜力有限元法取其近似值，而對(duì)與應(yīng)變幅度對(duì)應(yīng)的地基彈性常數(shù)需根據(jù)地震反應(yīng)進(jìn)行分析。為確保孔洞上方承受的荷載保持均勻，需計(jì)算地基抗力基數(shù)，最后再利用彈簧常數(shù)替換地基抗力系數(shù)。

3.反應(yīng)變位法

據(jù)以往實(shí)踐表明，地下建筑結(jié)構(gòu)可能發(fā)生共振響應(yīng)的概率很小，在計(jì)算過(guò)程中可將結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力進(jìn)行忽略。因此，對(duì)地震反應(yīng)動(dòng)力分析過(guò)程中可直接利用擬靜計(jì)算公式，使土壤介質(zhì)變位對(duì)地震效應(yīng)起決定性作用。但利用反應(yīng)變位法時(shí)，需對(duì)抗力系數(shù)、地震變位予以明確，這樣才可保證計(jì)算結(jié)果更為合理。

4.有限元方法

對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，為使抗震特性、特殊位置抗震的研究更加深入，經(jīng)常采用有限元方法。例如，對(duì)地下室轉(zhuǎn)彎部位或地下室其他分支等都需利用這種方式。另外，模型邊界需利用如疊加邊界、透射邊界以及粘性邊界等能量傳遞邊界[3]。

（二）襯砌整體式地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

襯砌整體式的結(jié)構(gòu)抗震性能可從四方面進(jìn)行概括：第一，在地震作用下，其構(gòu)件內(nèi)力與變形程度相比地面結(jié)構(gòu)反應(yīng)較小。但結(jié)構(gòu)督辦或底層梁等結(jié)構(gòu)部位的內(nèi)力相比地面結(jié)構(gòu)較大。第二，結(jié)構(gòu)自振周期與地震動(dòng)卓越周期間不同的匹配程度對(duì)襯砌整體式地震響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不同的影響。第三，地震響應(yīng)受?chē)鷰r性質(zhì)影響較大，特別在圍巖過(guò)于軟弱的條件下，地震響應(yīng)將逐漸增大，結(jié)構(gòu)抗震性能也會(huì)隨之降低。第四，地震響應(yīng)會(huì)隨洞室尺寸的增大而逐漸變大。因此，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)從這四方面進(jìn)行抗震性能的分析。

（三）襯砌分離式地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

襯砌分離式的結(jié)構(gòu)相比同條件地面結(jié)構(gòu)，地震變形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，一般抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中只需以地面結(jié)構(gòu)抗震水平便可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性。而在地震響應(yīng)方面，其主要影響因素為土層的厚度，土層對(duì)不同基巖地震動(dòng)很可能產(chǎn)生放大或衰減作用。同時(shí)，圍巖性質(zhì)對(duì)地震響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，在圍巖性質(zhì)較為軟弱的情況下，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)會(huì)逐漸增大。另外，區(qū)別于襯砌整體式結(jié)構(gòu)，襯砌分離式結(jié)構(gòu)受洞室尺寸影響較小。因此對(duì)襯砌分離式地下建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析過(guò)程中，也需綜合考慮各方面的影響因素[4]。

三、地下建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)未來(lái)趨勢(shì)分析

從當(dāng)前大部分結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中分析，所使用的方法主要以承載力為基礎(chǔ)，對(duì)構(gòu)件截面數(shù)值的計(jì)算通過(guò)組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)現(xiàn)，以此確定建筑結(jié)構(gòu)的承載力，而且抗震結(jié)構(gòu)在損耗性及延續(xù)性方面都需通過(guò)構(gòu)造的措施進(jìn)行完善。但通過(guò)實(shí)踐研究，利用以位移為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)更能獲得良好的抗震設(shè)計(jì)效果，因此未來(lái)設(shè)計(jì)過(guò)程中需在此方面著手。另外，未來(lái)地下建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中還需考慮隔震與消震方面的問(wèn)題。其中隔震主要指在結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，減小地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度。特別在社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，抗震性能指標(biāo)也將逐漸趨于嚴(yán)格，減震、消震以及抗震設(shè)計(jì)等內(nèi)容都將成為未來(lái)被關(guān)注的重要內(nèi)容[5]。

結(jié)論：地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析是確保抗震設(shè)計(jì)更加合理的基礎(chǔ)。具體分析過(guò)程中應(yīng)考慮地質(zhì)條件及地下建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可利用抗震分析方法如靜力法、反應(yīng)變位法等，并綜合考慮地下結(jié)構(gòu)為框架式、襯砌整體式或襯砌分離式等，同時(shí)需鑒別圍巖性質(zhì)、土層厚度以及洞室尺寸對(duì)其可能造成的影響，這樣才可保證地下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的分析更加合理。

參考文獻(xiàn)

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[3]張經(jīng)凱.關(guān)于框架式地下建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].低碳世界，2014，07：154-155.

[4]董志君.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能分析方法及體系可靠性研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[5]蘇濤.探討框架式地下建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能[J].低碳世界，2014，07：157-158.