淺析結(jié)構(gòu)抗震與地下結(jié)構(gòu)抗震

蔡勇

1 地下結(jié)構(gòu)抗震方法

地下結(jié)構(gòu)主要有地下隧道，以及其他地下建筑等。而目前研究地下結(jié)構(gòu)抗震的方法，主要有觀測、實(shí)驗(yàn)以及理論分析三個(gè)步驟組成。

1.1 原型觀測

原型觀測主要是在對地下隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)模擬試驗(yàn)的時(shí)候觀察其振動(dòng)特點(diǎn)。但是模擬震動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方式不足夠表現(xiàn)出地震時(shí)對土地結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)大影響和改變。所以原型觀測手段是檢驗(yàn)地下隧道結(jié)構(gòu)抗震程度不可或缺的研究手段之一。原型觀測主要有震害調(diào)查和現(xiàn)場試驗(yàn)。震害調(diào)查因?yàn)槭艿接^測時(shí)間、條件以及觀測手段等的限制，所以必須在地震結(jié)束之后才能進(jìn)行調(diào)查，因而震害調(diào)查的結(jié)果往往是最真實(shí)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此受到了人們的格外重視。震害調(diào)查的數(shù)據(jù)收集情況正在不斷的提高。四川512地震發(fā)生之后，人們逐漸意識到了廣泛的震害調(diào)查，以及收集大量的資料和數(shù)據(jù)對抗震的重要性。由于震害調(diào)查在地震過程當(dāng)中不足以調(diào)查地震的動(dòng)力響應(yīng)，以及地震波的輸入和邊界條件，以及利用這些無法改變的因素進(jìn)行有目的的研究和調(diào)查。所以在震害調(diào)查的過程當(dāng)中不得不采取其他的現(xiàn)場測試來進(jìn)行震害測驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)研究

通過振動(dòng)試驗(yàn)研究隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。這種研究可以分為人工，試驗(yàn)和振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)，一般情況下，由于人工震源實(shí)驗(yàn)操作起來具有一定的困難性，且很難反映地下結(jié)構(gòu)的線性結(jié)構(gòu)，以及當(dāng)出現(xiàn)地基斷裂等情況的時(shí)候?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)抗震造成的影響。所以比起振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)，人工震源實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用并不多。振動(dòng)臺試驗(yàn)可以讓人們更好的觀察到，以及了解地下結(jié)構(gòu)的特性，對抗震原理的分析和檢驗(yàn)起到了一定的基礎(chǔ)作用，因此才被廣泛應(yīng)用。

1.3 原型觀測以及實(shí)驗(yàn)研究在檢驗(yàn)地下隧道結(jié)構(gòu)抗震堅(jiān)固性的運(yùn)用當(dāng)中會付出一定的代價(jià)

所以實(shí)踐是必不可少的，而同時(shí)理論研究更是必不可少的。地下結(jié)構(gòu)抗震的理論分析的基礎(chǔ)是波動(dòng)理論和有限元方法。一般對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行震害檢驗(yàn)，動(dòng)力反應(yīng)測試以及結(jié)構(gòu)的自身測量等，都會反映出地下結(jié)構(gòu)抗震分析的特點(diǎn)。而對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，會因?yàn)槭艿绞┕さ墓に囈约暗叵陆Y(jié)構(gòu)和地質(zhì)等方面的影響。對抗震結(jié)構(gòu)的分析研究方法分成波動(dòng)法和相互作用法。

1.3.1 波動(dòng)解法

波動(dòng)解法是在忽略土體與結(jié)構(gòu)間的相互作用的條件下，利用波動(dòng)求解方程式求出地下結(jié)構(gòu)與周圍的介質(zhì)之間形成的波動(dòng)場和應(yīng)力場。在利用波動(dòng)解法進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以將求解好的波動(dòng)變位添加到結(jié)構(gòu)上，用來求出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。波動(dòng)解法估算結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要適用于設(shè)計(jì)初期，而結(jié)構(gòu)與土體的剛度差異越小，他的求解結(jié)果的精確程度則會越高。波動(dòng)法更加適用于地震造成的一些小型的變形。但是在求解的過程當(dāng)中需要將問題簡化，比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的低層反射出來的各種反射波長平均為單一的平面波等。這就造成了波動(dòng)法無法對實(shí)際情況進(jìn)行有效的估算，而由此造成了估算結(jié)果的差異性。尤其是遇到，土地結(jié)構(gòu)與周邊的土體，差異較大的情況時(shí)候，波動(dòng)法估算出來的結(jié)果與實(shí)際情況會有較大的差異。

1.3.2 相互作用法

相互作用結(jié)法也是一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的求解方法。它將結(jié)構(gòu)作為主體，將周圍的土地介質(zhì)作為相互作用力進(jìn)行求解振動(dòng)響應(yīng)。比起波動(dòng)解法，相互作用解法具有一定的實(shí)用性，因?yàn)檠芯康闹攸c(diǎn)是地下結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)反應(yīng)。相互作用解法的基本條件是忽略地基中的波動(dòng)場受到不同結(jié)構(gòu)的影響這一因素。首先在忽視地下結(jié)構(gòu)存在的條件下，求出在土體介質(zhì)中的自由場地震響應(yīng)。然后再根據(jù)土地的運(yùn)動(dòng)來求出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

相互作用解法為的是解決地震過程當(dāng)中土地變化而對地下結(jié)構(gòu)造成的響應(yīng)問題。為了保證相互作用解法能夠有效的解決實(shí)際問題需要對土地結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)進(jìn)行評估，然后了解地震波輸入以及震動(dòng)參數(shù)分布情況，模擬土地結(jié)構(gòu)相互作用力等一些參數(shù)的確定。

2 對地下結(jié)構(gòu)抗震分析的方法

2.1 響應(yīng)位移法

響應(yīng)位移法在計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的時(shí)候需要利用彈性地基梁代替地下線狀結(jié)構(gòu)，然后求出作用在彈性地基梁上地震時(shí)的地基位移。

2.2 BART法

該法最早出現(xiàn)在美國，它廣泛適用于各種地下結(jié)構(gòu)型類型和各種地形條件，能夠快速的評估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇到的問題。該法只考慮地震過程中隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)效果，而不考慮地震會對土地結(jié)構(gòu)造成的影響。它包含抗震特點(diǎn)，土體不連續(xù)以及壓力的影響，以及變型限制等。其目的就是為了在地震過程當(dāng)中確保地下結(jié)構(gòu)承擔(dān)有效的抗壓能力之外，保證結(jié)構(gòu)的韌性不會輕易造成變形。地下結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中必須要考慮地層的變化，而該法可以為設(shè)計(jì)者提供有效的地層振動(dòng)數(shù)據(jù)，為地下抗震結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3 圍巖應(yīng)力傳遞法

圍巖應(yīng)力傳遞法是日本學(xué)者根據(jù)地震當(dāng)中所測量到的各種數(shù)據(jù)分析而研究出來的一種地震響應(yīng)分析方法。主要用于無洞穴巖地中結(jié)構(gòu)抗震能力的測量與分析。

3 總結(jié)

為了有效緩解地面壓力，地下結(jié)構(gòu)建筑與工程逐漸發(fā)展起來。為了有效防止地震對地下工程建設(shè)造成巨大的損失，研究結(jié)構(gòu)抗震成為了工程建設(shè)設(shè)計(jì)研究的重要方向。但是由于地層環(huán)境條件的多樣性，所以對于地下結(jié)構(gòu)的抗震檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)等方面的工作都具有一定的困難性。所以設(shè)計(jì)師和工程師應(yīng)該在對地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)采集，并且根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的抗震原理模擬實(shí)驗(yàn)等，研究出使地下結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀抗震能力的設(shè)計(jì)方法，并將其廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)與施工當(dāng)中。保證地下結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和抗震性，減少地震對地下結(jié)構(gòu)造成的破壞和經(jīng)濟(jì)損失。

[1]李 智，曾戀婷.地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法研究綜述[J].江西建材，2018（3）：45～46.

[2]郜新軍.地震波斜入射下復(fù)雜地質(zhì)中隧道動(dòng)力響應(yīng)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018（1）.