綜述地下結構工程抗震分析方法

王苓舉 堵金濤

【摘 ?要】近幾十年來，地下結構在城市建設、交通運輸、國防工程、水利工程等各個領域得到了越來越廣泛的應用。同時，地下空間的開發利用已逐步向節省能源、解決城市交通、保護環境等方向發展，但其抗震分析的研究還存在著亟待解決的問題。

【關鍵詞】地下結構工程;抗震分析;問題;措施

我國是一個經常發生地震的國家，近年來更是頻繁發生，而且震害相對來說都比較嚴重，因此分析地震作用下地下結構工程的破壞機理以及如何提升結構的抗震能力成為當前研究的一個重要課題。但就目前的情況來說，建筑行業的一些設計人員沒有形成對地下結構工程抗震設計的正確認識，對建筑容易受地震損害的原因認識不清楚，從而導致在設計中出現各類問題。

1地動產生時地下構造項目奇特的反映

地面的建筑物在遭遇地震侵襲的時候反應通常是建筑物自身的動力反應，導致建筑物倒塌或者變形，而地下結構由于與土體緊密相連，當遭遇地震的時候，建筑物會與四周的土體產生動態反應。但發生地震的時候，基巖受地震波的影響，一點點的有軟土層滲透到結構物上，從而使結構物被破壞，而還有一些地震波經過反射到土層，對土層又造成破壞，從而形成惡性循環，由此我們可以分析出地震發生時地下結構工程獨特的反應：

（1）地下結構在遭受地震的時候由于四周土質的制約，自身的動力反應不強烈。

（2）地下結構的存在有效的減少了地動對四周地基的影響（特指相對于地震波長來講，地下結構物的尺寸較?。?/p>

（3）地震波入射方向對于地下結構的形態產生很到的振動效果，及時地震波的入射方向發生微小的變化，地下結構也將受到嚴重的變形。

（4）地下結構相比地面結構，在接受振動的時候各點的相位差比較顯著。

（5）地下構造在振動中的應變受地動加速度的快慢的影響比較小。

（6）地下構造的地動反應大小不分深基礎和淺基礎。

2地下布局抗震剖析的有效途徑

2.1采取地動原型觀察的方式

地震原型觀測的方法具體實施手段是結合地下結構在地震時的動力特殊屬性，并進行合理的觀測，從而達到掌握地下結構對地震動反應的目的。首先根據長期以來對地震的觀測，把各個地區地震裂度有效的劃分，并進行科學的復核和校訂，同時結合實際需要建立一個適應的數據庫。這種做法的本質就是根據對所收集的數據進行整理和分析，對地震動和結構反應特性有個充分的掌握，這樣對于研究地下結構物抗震、減震問題有個很好的參考，在這個數據庫中可收入引起結構物破壞的地震動參數，同時對這些參數的選擇上，要充分考慮其與震級、距離、場地條件三者之間的聯系，之后對地震動有個科學的估計，結合綜上所訴的計算分析從而得出地下結構抗震減震設計方案。當下采用地震原型觀測的方法也存在一定的局限性，一方面是由于觀測技術的有限，這樣強震觀測所收集的地震動資料不全面，主要體現在收集的資料大都來源于地表面，對于地下結構以及地下深處的觀測上缺乏技術性，導致不能收集到完善的資料。另一方面，雖然采用地震原型觀測的方法對于研究地下結構抗震分析有一定的優勢，即比較直觀，參考價值也較高，但由于目前對于我們還不能準確、及時的預見地震，這樣對于觀測實驗的周期我們很難把握等待周期，有時會等很久才能實施觀測實驗，這樣對于觀測資料的收集上就存在一定的局限性。七十年代初，日本出現了松化群發地震，日本地震專家根據觀測地下管線動態變化，收集一些數據，根據對這些數據的分析得出：在地震中管線與四周的地基一起發生振動。之后，人們根據對沉埋的隧道、盾構的隧道與山嶺隧道等進行了地震觀測，慢慢的掌握了地下結構的動力特殊屬性，最后總結出地下結構地震反應與地基變形有著密切的關系，而與地下結構慣性力幾乎沒有關系。

2.2貫穿福季耶娃法

前蘇聯學者福季耶娃對地下結構地震反應的動力學有自己獨特的見解，關于P波及S波波長和隧道洞徑的關系上作出了細致的分析，如果隧道埋深比洞徑大3倍，隧道長度比洞徑大5倍，那么地下結構的地震反應的動力學，可通過圍巖荷載的彈性力學來有效的解決。如果基巖土體呈現線彈性變形，那么地震作用時產生的對隧道圍巖的應力和襯砌內力的計算，可根據線彈性理論動力學問題來解決。

2.3運用反應位移法

1970年，日本地震研究專家根據對地震觀測，分析出了地下線狀結構物有效抗震的方案，這也就是我們所說的反應位移法。這種方法的基本原則選用具有彈性的地基梁來模仿地下線狀結構物，通過對地震發生時地基的移動，作為已知條件來解決彈性地基上所承受的動力，這樣可以清晰的了解地基梁上所承受的應力，這樣可方便計算地下結構所承受的地震反應力，例如隧洞、各種管道、豎井等等產生地震反應力的計算。這類方案的關鍵步驟在于確定地動變位與抗力系數Ks，一般來講把抗力系數Ks呈現對角陣，在這里K或者Ks就可以看作文克爾彈簧常數或地基土介質的彈簧常數。反應位移法的理論基礎是根據地震時地下結構所產生的反應進行研究，地下結構對于地震反應在地基變形上，而不是說對于結構物的自身的慣性力，這種方法對于沉埋隧道的抗震設計中是十分有效的。

在反應位移法之外，日本地震研究人員還結合對地震的長期觀測，從收集的地震中地下結構波動理論分析的結果上看，研究出可其他兩種有效果的抗震分析方法：一是運用圍巖應變傳遞的方法。這種方法主要依據地震波動場分析的基本思想，對各種管道、海底的隧道、地下的油庫等等地下結構進行地震分析，從觀察地震波形和周圍巖土介質地震應變的波形，我們可以總結出兩種波形在原理上幾乎完全相似，這樣對于地下結構的地震應變與周圍巖土介質的地震應變的關系我們就可以清晰的分析出來。這類方案的關鍵在于對地動強度相符合的圍巖應變的肯定和設計。二是選用地基抗力系數方案。應多點緊縮彈簧和剪切彈簧舉行摹擬四周巖土介質的作用，利用梁元素來舉行摹擬地下結構。這類方案大抵分三個步調來完成：比較四周的巖土介質彈簧常數;計算圍巖地震變位;比較地下結構地動反應。這類方法在日本核電廠耐震設計技術中被有效的利用。

2.4采用模型實驗法

模型試驗專研可分兩部分，一是人工震源試驗，二是振動臺試驗。依據不同的施加動力類型，可以把振動臺實驗可分為三部分，即簡諧的振動、模擬地震的振動和天然的振動。但不適用非線性階段疊加原理，因此要選用模擬地震振動的振動臺。此外，由于起震力很小，人工震源實驗法有一定的弊端，即對于建筑物的非線性性質和地基斷裂等因素導致地下結構地震反應的影響反應不明顯，所以此方法不適合在類型地震研究分析中運用。

3結束語

總體來說，由于方法在應用范圍上有一定的局限性，所以在分析方法的選擇上要有目的性。目前在對于地下結構地震反應的研究方面還存在許多不足，一方面它們對于不規則的地震波，在周期方向傳播上考慮還不是很全面，這樣就導致問題過于簡單化了，另一方面，對于衰減的靜力解考慮不周到。然而，實際上的地基變形與時間的變化是成比例的，我們對于動力輸入的影響應該做好思考。所以，對于地下結構的動力特性的準確地反映，我們首要的任務就是做好數據的采集與分析，這樣運用合理的方法才能準確的反映地下結構的動力特性。

參考文獻：

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