地下結構抗震分析方法研究綜述

隨著社會經濟的發展和城市化進程的加速，地下結構的重要性日益凸顯。人們對地下結構的研究已經做了大量的工作，但是地下結構抗震問題區別于地面結構，研究相對較少。人們普遍認為地下結構的抗震性能要好于地面結構，地下結構的地震響應和相應的抗震設計方法與地面結構有著很多的不同。經過幾次大地震以后，地下結構的地震破壞也是十分嚴重的，造成的后果是災難性的。在1995年阪神大地震中，造成了大量的地鐵隧道破壞，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。2008年汶川發生的8.0級大地震導致了多條隧道的坍塌。因此，地下結構的抗震分析是一個值得深究的重要課題。

1 地下結構地震反應特點

在同一地震波作用下，地面結構的破壞程度遠遠大于地下結構；地下結構由于受到周圍地基土層的約束作用，其反應一般表現不出明顯的自振特性的影響；同時，結構動力反應表現出自振特性，但是這種影響非常微弱。地下結構受地震波的入射角度和埋深影響較大；對于地面結構來說，加速度是衡量結構的動力反應程度，而對于地下結構主要是由于地基土的變形；隧道的圍巖剛度會影響地下結構的地震反應；地下結構所處土層的剪切波速越小其受到的破壞越嚴重。

2 地下結構抗震分析的基本方法

目前地下結構抗震分析的主要研究方法有［1-2］：原型觀測、模型實驗和理論分析。有效的將三種方法有機的結合起來，首先通過原型觀測和模型試驗來還原災害的變化過程，以此得到災害帶來的后果。然后通過數值模擬來加以驗證，通過正確的數值模型，改變地下動力參數來得到災變的原因。原型觀測就是觀測地下結構在實際地震作用下的動力反應，來了解地下結構的地震相應規律和特點。目前地下抗震研究試驗主要有三種：人工震源試驗是人為產生的地震波作用于模型，由于人為產生的地震波較小，模型處于彈性范圍之內，很難真實模擬結構地震的反應；振動臺試驗通過相似比制作縮尺模型，可以多角度反映地下結構的地震響應以及地下結構和地基土之間的相互作用，是目前最有效的實驗方法；離心機試驗通過采用高速旋轉增加模型重力的方法，使模型土體產生與模型相同的自重應力。經常應用于邊坡、水壩的穩定性研究。

3 地下結構抗震設計方法

3.1 地震系數法

地震系數法是借鑒地上結構抗震分析方法提出的，通常將地震作用等效為靜力荷載施加到地下結構上直接進行抗震計算。把地震荷載分為結構的慣性力、上覆土體的慣性力、結構另一側的土體抵抗力。耿萍和應礎斌［3］等對地震系數法的上覆土層厚度進行修正，并利用動力時程分析法對修正的地震系數法驗證，并采用地震系數法進行隧道抗震計算；何川［4］等對地震系數法改進，得到改進地震系數法的實際使用條件。

3.2 自由場變形法

自由場變形法基于地下結構變形主要受周圍地基土的變形影響，忽略地下結構的存在以及地下結構與地基之間的相互作用，認為結構的自振特性對其反應影響很小，將地震作用下結構位置處的自由場變形施加在結構位置上得到結構變形和內力。這種方法最早由Newmark［5］等在20世紀60年代提出，此后在20世紀80年代由ST.John［6］進一步改進，推導了不同的地震波以不同的入射角入射引起的隧道應變自由場變形法也存在一定的問題：首先未考慮土-結構相互作用，當土體剛度和地下結構剛度相差較大時，地下結構的變形可能與實際情況不符。

3.3 柔度系數法

如果考慮地下結構剛度和地基剛度的差異，在自由場變形法的基礎上，通過一個柔度系數得到結構變形的方法稱為柔度系數法土-結構相互作用系數是結構的等效剪應變和對應位置自由場剪應變的比值。WangJN［7］通過大量的有限元計算推導了地下圓形結構的相互作用系數，并得出柔度系數與柔度比的關系；付鵬程［8］在柔度系數法的基礎上，分析了均勻彈性介質中地下結構與土層的相互作用，得到了簡化的柔度系數計算方法；龔成林和宋二祥［9］等提出在特定的工況下相互作用系數的計算方法，并基于數值計算提出新的荷載加載方法。

3.4 反應位移法

地下結構在地震作用下隨周圍土層的約束而變形，地震使周圍土層產生變形，地震作用通過土彈簧以靜荷載的形式作用，使得結構產生應力和應變。在結構上并考慮土層相對位移、構慣性力結和結構周圍剪力三種。目前，反應位移法經過幾十年的發展，在地下結構抗震設計得到了應用，但是由于計算模型、地基土彈簧系數的選取以及地震作用形式的不同，在計算時存在誤差。川島一彥［10］等對反應位移法做了大量的研究，提出了地下結構的反應位移法；劉晶波［11］等改進了反應位移法，提出地下結構整體式反應位移法；禹海濤［12］等通過建立復雜地下結構的三維有限元模型，在動力時程分析方法的基礎上，得出反應位移法運用于復雜地下結構的適用性；蔣通［13］等利用薄層法和容積法推導了層狀基礎-地基的阻抗函數的統一公式，以此得到各個方向的地基彈簧系數；賓佳［14］等對靜力有限元法求解地基彈簧進行了研究，改進了彈簧系數的求法，并驗證了其有效性。

3.5 數值分析法

數值分析法包括：離散元法、有限元法、邊界元法、有限差分法等，其中動力有限元法使用最廣泛。在強震中，地下結構和地基可能呈現明顯的非線性和彈塑性狀態。有限元法可以模擬復雜的邊界條件和介質的非線性，數值分析方法將地下結構和地基考慮成一個整體，能真實的模擬地震作用下土-結構之間的相互作用、任意的結構形式、復雜的地層情況。其使用材料的本構模型來模擬地下結構和周圍土體的非線性；數值分析方法已成為研究地下結構動力問題的重要途徑。陳磊［15］等人利用ABAQUS軟件建立地鐵雙層交叉隧道的三維模型，研究了地鐵雙層交叉隧道的地震相應，與淺埋和深埋單層隧道進行比較，得出雙層隧道對地震動具有放大效應；劉晶波［16-17］等利用有限元法對雙層地鐵車站、地鐵盾構隧道進行了地震響應分析；陶連金［18］等人基于FLAC3D對地鐵車站和下穿地鐵隧道進行了三維地震反應分析，并與單體隧道的地震反應特性對比；景立平［19］等人利用ABAQUS軟件建立地鐵車站二維模型，并對土體的本構和混凝土本構，邊界條件的選取和阻尼設置進行了討論。

4 結語

以上幾種地下結構抗震分析方法反映了地下結構抗震發展水平，但是由于有些方法應用范圍窄，必須在特定的條件下運用。而且地下結構的抗震問題不僅僅是簡單的土體動力問題和結構動力問題的簡單疊加，反應機理非常復雜，涉及到的因素也非常多。如何對地下結構抗震設計方法改進和修正以更加的真實反映實際情況，是今后的研究重點。

［1］林皋.地下結構抗震分析綜述（上）［J］.世界地震工程，1990（2）.

［2］林皋.地下結構抗震分析綜述（下）［J］.世界地震工程，1990（3）.

［3］耿萍，應礎斌，張征亮，等.隧道結構抗震設計修正的地震系數法及其應用［J］.鐵道建筑，2011（07）.

［4］何川，耿萍，晏啟祥.Ⅳ級圍巖鐵路隧道抗震計算上覆土柱合理計算高度［J］.土木工程學報，2013（05）.

［5］Newmark，N.M.Problemsinwavepropagationinsoilandrock［C］.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonWaveropagationandDynamic PropertiesofEarthMaterials，1968.

［6］StJohnCM，ZahrahTF.Aseismcdesignofundergroundstructures［J］.TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，1987，2（2）.

［7］WangJN.Seismicdesignoftunnels：asimplestate-of-the-artdesign approach［M］.NewYork：ParsonsBrinckerhoffQuadeandDouglasInc，1993.

［8］付鵬程.地鐵地下結構震動變形的實用評價方法研究［D］.清華大學，2004.

［9］龔成林，宋二祥，劉光磊.地下結構橫斷面地震反應簡化計算方法探討［J］.地下空間與工程學報，2009（04）.

［10］川島一彥.地下構筑物の耐震設計［M］.日本：鹿島出版會，1994.

［11］劉晶波，王文暉，趙冬冬，等.地下結構抗震分析的整體式反應位移法［J］.巖石力學與工程學報，2013（08）.

［12］禹海濤，袁勇.張中杰，等.反應位移法在復雜地下結構抗震中的應用［J］.地下空間與工程學報，2011（11）.

［13］蔣通，程昌熟.用薄層法分析層狀地基中各種基礎的阻抗函數［J］.力學季刊，2007（06）.

［14］賓佳，景立平，崔杰，等.反應位移法中彈簧系數求解方法改進研究［J］.地震工程學報，2014（09）.

［15］陳磊，陳國興，龍慧.地鐵交叉隧道近場強地震反應特性的三維精細化非線性有限元分析［J］.巖土力學，2010（12）.

［16］李彬，劉晶波，尹驍.雙層地鐵車站的強地震反應分析［J］.地下空間與工程學報.2005（05）.

［17］劉晶波，李彬，谷音.地鐵盾構隧道地震反應分析［J］.清華大學學報（自然科學版），2005（06）.

［18］陶連金，閆冬梅，李積棟.地鐵車站長距離密貼下穿既有隧道結構的地震響應［J］.黑龍江科技大學學報，2014（05）.

［19］景立平，孟憲春，孫海峰，等.三層地鐵車站振動臺試驗的數值模擬［J］.地震工程與工程震動，2012（01）.