結構抗震與地下結構抗震探析

王曉敏 宋 蕾 宋嬌嬌

西安科技大學高新學院（710000）

在社會經濟不斷發展的背景下，人們的生活水平也在不斷提高，老舊建筑無論是在功能還是在設計上，已遠遠不能滿足人們的使用需求；其不僅設計標準低，而且對危險的預防能力較弱，如地震、火災預防等[1]。此外，“老齡化”使得老舊建筑的結構功能逐漸降低，愈發凸顯出結構方面的安全問題。 隨著國家對建筑抗震性能提出了新的要求，原有建筑需要重新進行抗震鑒定，如不符合抗震要求，就需要對其進行加固改造，以保證建筑結構的安全性。

1 地下結構震害的特點

一般在地下結構中，地下隧道是最常見也是最主要的建筑設施，一旦發生震害，首當其沖被破壞的就是地下隧道。 根據現有的研究，地下結構通常在震害中有以下幾種破壞形式：

1）多發生于洞口巖體不穩定、風化程度較高地方的洞口邊坡垮塌破壞[2]。 由于洞口巖體多為破碎狀態，巖體自穩能力不高，而一旦發生地震，洞口處的地震作用又較強，因此洞口破壞是地下結構震害最常見的形式。

2）洞門裂損。常見的有端墻松脫、拱圈開裂、翼墻開裂等現象。

3）多發于震中附近的圍巖坍塌或襯砌坍塌。此類破壞形式多發于軟弱圍巖；若發生地震，不是圍巖、襯砌一起坍塌，就是襯砌發生坍塌。

4）襯砌開裂。 在地下結構震害中，這種破壞形式是最常見的。 襯砌開裂也有多種形式，如縱向或多方向開裂、底板開裂、環向開裂等。

5）襯砌錯位破壞。一般這種震害多發生于修建在斷層破碎帶上的地下結構中； 受地震剪力作用，地下結構在其兩個橫截面上發生位移， 若位移過大，就會發生此類破壞[3]。

2 地下結構震害的影響因素

通常來說，有很多因素都會對地下結構的地震反應造成影響，如地下結構本身的特點、巖土性質等等，但主要是以下三個方面的因素。

2.1 入射地震動特性

入射地震動特性通常指的是地震在發生時的各種數值變化，包括震幅、頻譜、震級、震距、震波波長、震波入射方向等。 一般地震的動峰值加速度（PGA）以及峰值速度（PPV）會影響地下洞室的破壞程度，PGA 的大小直接決定地下洞室震害反應的強烈程度，PGA 越大，震害可能會愈加嚴重；而PPV 對地下洞室造成的震害反應遠遠大于PGA 帶來的震害反應。 此外， 地下結構的震害反應也會顯著受到震波入射方向的影響，入射方向不同，應力和位移方向就會產生差異[4]。

2.2 地質環境

地質環境因素通常指的是地下結構所在位置的地質因素，一般有地層巖性、構造、地應力等。對比修建于土體中和修建于巖體中的地下結構，后者的抗震性能明顯更強，但是可以通過加固地下巖土體的方式來提高土體地下結構的抗震性能。 若地下結構周圍的地質環境不良，比如存在斷層等不良地質構造，在發生地震時，則會更容易受到破壞；同時，高地應力也是降低地下結構震中穩定性的因素之一。

2.3 地下結構自身的特性

在地下結構震害影響因素中， 地下結構自身的特性是一個很大的影響因素，如其形狀、形式、接觸圍巖形式等。 地下結構形狀不同， 其地震反應也不同；通常最容易受到破壞的就是地下結構的斷面、剛度變化等位置[5]。 另一方面，在地震作用下，地下結構的動力特性直接由其自身的特性決定， 如地下結構的形狀、形式、接觸圍巖形式等。

3 地下結構抗震性能分析方法

以地下結構中的主要建筑——地下隧道為例，目前主要有以下三種抗震性能分析方法。

3.1 響應位移法

早在上世紀就有學者在地震觀測中發現，在地震中，場地位移是支配地下結構地震相應的主要因素，無論是結構本身的慣性力，還是結構本身的阻尼效應，都不會對計算結果造成太大影響。 基于此，學者們提出了用于抗震設計的響應位移法，此抗震設計方法的主要原理就是用彈性地基梁取代地下線狀結構物，求出地震時彈性地基梁的位移，就能夠計算出結構的地震反應。

3.2 BART 法

BART 法最早起源于美國， 是在地下快速運輸系統設計實踐中建立起來的抗震設計準則，因其具有能適用于不同地下結構類型和多種地形條件等優勢而受到廣泛使用[6]。 但此類方法在抗震設計中只會考慮隧道結構在地震中的振動效果，不會考慮土地結構在地震過程中對隧道產生的影響。 此外，該種抗震設計方法主要是為了確保地下結構在地震過程中能夠承擔抗壓能力， 不會輕易產生變形。通常在設計地下結構時，都必須將地層變化作為考慮因素之一，而BART 法則能提供關于地層的有效振動數據，便于設計者設計地下抗震結構。

3.3 圍巖應力傳遞法

圍巖應力傳遞法來源于日本，是一種根據地震中的測量數據提出的地震響應分析方法，主要應用于分析隧道結構、無洞穴巖地的地震響應方面。

4 研究地下結構抗震性能的步驟

地下隧道結構抗震性能研究主要有以下步驟。

4.1 原型觀測

原型觀測即是指在模擬地下結構振動時，對其振動特點進行觀察。 但是在實際工作中，通常振動模擬試驗提供的數據不是很完整，無法讓觀察人員掌握全部數據，因此，該方法只是對地下結構抗震性能進行檢測的必要手段之一。 震害調查是原型觀測的主要內容之一， 這種觀測方法受限因素較多，如觀測時間、 條件等都會影響震害調查的結果，因此這種調查方法需要在地震結束后進行。 但另一方面，這種調查方法的數據往往更具有真實性，受到的重視度也更高。

4.2 試驗研究

振動模擬試驗有人工試驗法和振動臺試驗法。人工試驗方法具有一定難度，不僅很難反映地下線性結構，還很容易受外界因素影響，如出現地基斷裂等，就會影響隧道結構的抗震性能，因此應用較少；振動臺試驗方法不僅操作簡單，還有利于人們對地下結構特性進行觀察、了解，在一定程度上，能指導人們分析和檢驗抗震原理，應用較為廣泛。

4.3 理論分析

在上述兩種研究地下結構抗震性能的步驟中，無論是原型觀測還是試驗研究，都不可避免地需要付出一定代價，因此也不能忽視理論研究。 波動解法和相互作用法是研究地下結構抗震性能常用的兩種方法。

波動解法可以利用波動求解方程式進行計算，結合地下結構，可以得出結構響應。 通常這種估算結構響應的方法常用于設計初期；結構與土體之間的剛度差異越小，越會得出精確程度較高的求解結果。 但是波動解法也有一定的局限性，比如求解時需要簡化問題，這就導致求解結果與實際情況存在較大的差異性。

相互作用法主要以結構為主體，通過周圍土地介質中的相互作用力求振動響應，這種求解方法的實用性較高。 通常這種解法的主要目的是解決發生地震時地下結構因土地變化而帶來的響應問題。

5 結語

由于目前城市發展導致土地資源越來越緊缺，發展地下工程越來越具有重要意義，而在地下工程建設中， 最重要的就是有效避免地震帶來的損失，因此結構抗震成為地下結構研究的重要方向。 在考慮到地層環境存在多樣性的基礎上，設計師在設計地下結構時，需要詳細采集相關數據，研究抗震原理，以便設計出具有優秀抗震性能的地下結構。