劉 宇

(黑龍江建筑職業(yè)技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

地下結構抗震設計中的靜力彈塑性分析方法

劉 宇

(黑龍江建筑職業(yè)技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

近年來地震災害讓人們遭受巨大的經(jīng)濟損失，人們開始對于地震預防進行細致的研究，地下結構的抗震設計日益受到各國關注。在研究地下結構抗震分析方法存在的問題中，靜力彈塑性分析法作為計算分析工具越來越受到關注，這是一種比較適用于地下結構抗震分析和設計使用的方法，比傳統(tǒng)的靜力和動力時程分析方法更具優(yōu)勢。

地下結構；靜力彈塑性分析方法；抗震設計

隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，地下結構數(shù)量不斷增多，伴隨而來的地下結構震害也頻繁發(fā)生，所以地下結構抗震研究也逐步發(fā)展起來，地下結構的抗震理論也隨之更加完善起來。近年來我國地鐵事業(yè)迅速發(fā)展，對于地鐵結構的抗震性能以及設計方法的系統(tǒng)研究也成為一個重要課題。在對于地下結構靜力分析與地上結構靜力分析對比研究之后，找到了一種適合地下結構的靜力彈塑性方式的計算方法，該方法比動力時程計算結果更精準和更可靠。

1 地下結構抗震分析靜力彈塑性方法概述

地下結構抗震分析方法是諸多研究者在總結地上結構抗震理論后，研究地下結構抗震理論而得來的，它從力學特性上可以分兩類，一種是擬靜力計算方法，另一種是動力反應分析方法。靜力彈塑性分析方法最開始應用在地上結構的抗震計算中，隨著地下結構抗震理論的研究，人們逐漸在地下結構抗震中使用靜力彈塑性分析方法，通過研究發(fā)現(xiàn)該方法可以直接從結構的側(cè)向施加載荷，側(cè)向載荷的水平加載模式可以分為拋物線形分布、倒三角分布和均勻分布等形式[1]。

使用靜力彈塑性方法分析結構時，會明顯發(fā)現(xiàn)對結構施加側(cè)向荷載，最為重要的是分布形式，其加載方式僅是次要的。通常地下結構之間會存在著動力的相互作用，在受到地震作用時主要是以體積受力，地基對地下結構有強烈的束縛作用。若想要采用地上結構靜力彈塑性分析方法，就必須對其施加載荷分清楚土與結構間的相互作用，而使用地下靜力分析方法可以直接對地基、地下結構系統(tǒng)模擬土以及構體系動力相互作用，通過水平側(cè)向荷載施加方式，能判斷出在受到地震作用后地下結構的分布狀況，以及各土層慣性力的分布特征。而且，施加側(cè)向荷載可以通過求得的位移，來大體推算出地震作用下，地下結構與各土層的位移狀況。靜力分析模型在研究中通過讓各土層單元以自身來對其它土層進行施加，然后研究模型結構的土層深度位置，用水平等效慣性加速度進行測試，再依據(jù)計算的要求和步驟，進行線彈性或彈塑性分析[2]。

2 地下結構靜力彈塑性分析方法實施步驟及基本功能

2.1 地下結構靜力彈塑性分析方法的具體實施步驟

首先應該建立一個自由場模型，給出必要的土體材料的參數(shù)，然后的步驟是輸入一維土層地震反應分析，該土層地震的反應分析是在地震波作用下的。其次在進行完分析后，采用水平等效慣性加速度求解方法，求出自由場土體沿深度分布的水平等效慣性加速度。最后一個步驟是建立有限元模型，該模型必須是土-結構體系，需要固定好模型底部的邊界，然后再通過兩側(cè)邊界節(jié)點豎直約束，水平方向不限制，然后再對照土層所在位置，一步一步地施加之前得到的沿深度分布的水平慣性加速度，對模型中的結構部分參照其土層深度位置，施加水平等效慣性加速度，最后再根據(jù)靜力有限元的方法進行求解[3]。

需要強調(diào)的是在實際地震發(fā)生中，其地震動的方向正或反是不確定的。對稱地下結構單獨受到正向或反向的地震波作用，其受力也是對稱的，所以只需要進行單向的計算就可以。對于非對稱地下結構，一定要考慮該結構正反兩個方向所施加的水平等效慣性加速度，在對其進行充分的分析后，選擇當中同樣條件下較大者的結果分析。

2.2 地下結構靜力彈塑性分析方法具備的功能

靜力彈塑性分析方法的主要作用有兩方面：一方面是用來檢驗新設計的結構，另外一方面是評估結構性能能否滿足不同強度地震作用下的設計性能目標。其功能具體可以從以下幾方面來體現(xiàn)。

(1)它能夠進行結構行為分析

載荷施加在有限元模型中逐步加載，這與一般的靜力彈塑性分析一樣，可以通過預測結構構件變化的全過程，從結構開始彈性到開裂，再到屈服進而發(fā)生彈塑性變化，最后導致承載力下降，從這一系列過程中分析出，結構桿端出現(xiàn)塑性鉸的先后順序，從而判斷出塑性鉸的分布狀況和結構薄弱的相關環(huán)節(jié)[3]。

(2)判斷結構抗震承載能力

在對抗震能力和抗震要求進行研究時發(fā)現(xiàn)，靜力彈塑性分析方法能夠得出地下結構的“能力曲線”，進而可以計算出結構阻抗橫向力的能力，同時也可以比較出結構所承載的力，相對于地震作用下的基底剪力或?qū)蛹袅Υ笮〔罹啵_定承載力能否達到要求，因而確定建筑的抗震狀況，判定其需要進行抗震加固或重新設計[4]。

(3)確定結構的目標位移

對性能/位移抗震設計目標研究后發(fā)現(xiàn)，它能夠很好地控制結構在不同強度地震作用下的破損程度，能夠找到結構整體變形與構件局部變形間的聯(lián)系，使用靜力彈塑性分析，一般能夠準確地判斷出結構在達到目標位移時，其桿端塑性轉(zhuǎn)角的大小情況，進而快速確定出桿端塑性鉸區(qū)的約束要求，保證了桿件的變形能力。

另外，靜力彈塑性分析方法還可以從受到強烈地震作用的土體與結構非線性影響中，研究出罕見地震影響下的彈塑性。還有就是靜力彈塑性分析方法只需要進行一維土層自由場動力分析，較少使用對二維、三維有限元的模型計算，避免一些地震動或人工邊界等參數(shù)的設定，能夠有效降低問題分析的難度[5]。

3 靜力彈塑性分析中存在的問題

3.1結構計算模型

通過結構模型進行計算，通常會出現(xiàn)兩種狀況，有的結構比較規(guī)范，就采用二維平面結構來計算模型，有的結構不規(guī)則或是比較復雜的，需要使用三維空間結構計算模型。水平方向的地震作用對實際生活中的結構影響是沿任意方向的，所以對于這類結構模型，首先一定要進行空間分析，還需要建立出三維空間結構模型和雙向水平地震輸入[6]。

3.2 橫向水平力的分布形式

地下結構在地震過程中，會受到各種不規(guī)則變化，尤其是在結構構件受屈服以后，其地震作用會變得更復雜。橫向水平分布形式對于靜力彈塑性分布分析結果有很大的影響，一般采用均勻分布、倒三角形分布反應譜振型組合分布等固定分布形式。通過靜力彈性動力分析和反應譜振分析可以得到側(cè)力分布，然后對各種測力分布研究后發(fā)現(xiàn)，彈性時程最大慣性力分布形式可以得到最高的能力曲線；反應譜法側(cè)向分布所得到的能力曲線與倒三角性分布所得到的極為相近；而定點集中力得到的能力曲線與其他三條曲線的能力曲線相比，相差較遠。

另外，在研究倒三角形分布水平側(cè)力時，只考慮了對應基本振型的地震作用，對高振型對地震的貢獻作用，如何來進一步研究高振型的影響，是否要在側(cè)力分布中區(qū)考慮等，還需要仔細研究。

結束語

當前，國際間對于靜力彈塑性分析的理論研究和方法已經(jīng)比較成熟，但是在地震動力效應方面還需要進一步完善。靜力彈塑性計算結果需要一定的計算輔助，我國目前在輔助技術方面的研究還需要更深的探索。地下結構靜力彈塑性方法以其良好的可靠性和準確的模擬精度，適合應用在地鐵等地下結構的抗震分析中。目前地球內(nèi)部活動劇烈，地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，為此，我國更應該加快地下建筑結構地震反應問題研究，確保地下結構的抗震性能，保障人民生命財產(chǎn)安全。

[1]劉雪冬.靜力彈塑性分析方法的適用性淺析[J].建筑工程技術與設計,2015(10):2406-2406,2229.

[2]陳濤,劉麗,陳鐵鋼，等.地下結構抗震設計的分析方法及其現(xiàn)狀[J].城市建設理論研究(電子版),2014(7).

[3]李永梅,周冰,張微敬，等.空間填充墻 RC 框架結構的靜力彈塑性分析[J].北京工業(yè)大學學報,2014(11):1660-1665.

[4]董正方,王君杰,蘇俊省，等.城市軌道交通地下結構抗震設計流程[J].城市軌道交通研究,2015,18(5):65-68,72.

[5]潘靖軍.交叉地鐵車站結構抗震設計方法對比研究[D].中南大學,2014.

[6]王恒趙,諸旭斌.地下結構抗震性能研究[J].房地產(chǎn)導刊,2015(14):457-457.

(責任編輯：孫強)

Static Elastic Plastic Analysis Method for Seismic Design of Underground Structures

LIU Yu

(Heilongjiang Institute of Architectural Technology, Harbin, Heilongjiang 150025, China)

In recent years, the earthquake disaster has made people suffer great economic losses. People began to carry out detailed research on the earthquake prevention, and the seismic design of underground structure is increasingly concerned by the countries. In the research of seismic analysis method of underground structures, the static elastic-plastic analysis method is getting more and more attention. This is a more suitable method for seismic analysis and design of underground structures.

underground structure; static elastic-plastic analysis method; seismic design

2015-10-20

劉宇(1982-)，女，黑龍江泰來人，講師，碩士研究生，研究方向為土木工程。

TU234

A

1671-4385(2015)06-0084-03