安騰

摘要：目前，我國開始大力發(fā)展地下空間，尤其是地鐵工程。通常情況下，地下結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，地震災(zāi)害相對較少。但是地下結(jié)構(gòu)一旦遭受地震破壞，將會帶來嚴(yán)重?fù)p失并且難以修復(fù)。本文主要介紹了地下結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害特征以及常用的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法。并且對比分析了反應(yīng)位移法、自由場變形法和地震系數(shù)法等的特點以及不足。

Abstract： At present， China has begun to develop underground space， especially the subway projects. Usually， the underground structure has good seismic performance， and relatively few earthquake disasters. But if the underground structure is damaged by the earthquake， it will cause serious damage and cannot be repaired. This paper mainly introduces the seismic hazard characteristics of underground structures and compared the methods of seismic analysis of underground structures， such as the reaction displacement method， free field deformation method and so on.

關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu)；地震災(zāi)害；抗震性能；反應(yīng)位移法

Key words： underground structure；earthquake disaster；seismic performance；reaction displacement method

中圖分類號：TU93 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0244-02

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的不斷發(fā)展與人口的迅速增長，人類對生活空間的需求也不斷擴大，地下結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展便是其真實寫照。地鐵車站、隧道、地下商場等如雨后春筍般應(yīng)運而生。但是近年來，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，尤其是地震對人類的生活造成極大困擾，許多地下結(jié)構(gòu)因遭受地震作用而發(fā)生破壞[1][2]。因此，在建設(shè)地下結(jié)構(gòu)的同時，應(yīng)對其抗震性能提出更高的要求。

一般情況下，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能相比于地上結(jié)構(gòu)相對良好，因此多數(shù)已建成的地下結(jié)構(gòu)都沒有考慮抗震性能。但是，地下結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生地震破壞，往往造成的生命財產(chǎn)損失將是無法估量的。1995年阪神地震中，大量地下結(jié)構(gòu)尤其是地鐵車站及區(qū)間隧道發(fā)生不可修復(fù)的損壞。而神戶縣的大開地鐵車站中柱發(fā)生破壞導(dǎo)致車站頂板坍塌造成上層覆土層大量沉降。由于此次破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象，從事土木工作的人員才發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的抗震性能并不竟如人意，于是開始重視地下結(jié)構(gòu)的抗震研究。近些中國各地地震不斷，尤其是四川的汶川地震，使得許多地下結(jié)構(gòu)嚴(yán)重毀壞且不可修復(fù)?，F(xiàn)在地下結(jié)構(gòu)多為城市交通通道，如地鐵車站及隧道等。一旦破壞不僅造成交通癱瘓，而且容易引發(fā)次生災(zāi)害，使得人們生命財產(chǎn)損失慘重。因此，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究問題顯得更加迫切和重要。

1 地下結(jié)構(gòu)的震害研究

人們對地震災(zāi)害的記錄主要是從19世紀(jì)初期開始，因為在更早的時候，地下結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)在略少，而且由于其在巖土中故抗震性能相對于地上結(jié)構(gòu)良好。從19世紀(jì)開始，隨著地下結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展其地震災(zāi)害記錄也愈來愈多。在研究這些地震災(zāi)害記錄資料后發(fā)現(xiàn)，在同一地震下，地下結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于地上結(jié)構(gòu)，但仍有許多地下結(jié)構(gòu)在強震中發(fā)生不可修復(fù)性破壞，究其原因是由于其未經(jīng)合理抗震設(shè)計。并且在這些震害資料中發(fā)現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞后部分還會導(dǎo)致火災(zāi)等次生災(zāi)害。因此，針對地下結(jié)構(gòu)的抗震性能展開研究究顯得尤為重要。

1995年日本阪神發(fā)生了人類歷史上損失最為慘重的大地震。這次地震導(dǎo)致許多地下結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞。其中大開和上澤地鐵車站中大量側(cè)墻產(chǎn)生裂紋并且中柱發(fā)生損壞以及倒塌致使車站結(jié)構(gòu)頂板坍塌，使車站上方道路與地面發(fā)生大量沉降與裂縫。圖1為上澤站和大開站中柱不同破壞模式和頂板坍塌情況[3][4]。

通過研究大量的地鐵車站震害資料發(fā)現(xiàn)：地鐵車站的破壞多從其中柱開始，即中柱為其薄弱環(huán)節(jié)。根本原因是由于地鐵車站隨著土體一起運動而發(fā)生較大的相對位移造成。通過研究發(fā)現(xiàn)，地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的振動特性大不相同[5]。地下結(jié)構(gòu)自振特性的變化，即結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度等的變化對其地震反應(yīng)的影響并不是很大，而地基基巖的運動特性對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)則應(yīng)當(dāng)重視。

通過觀測研究，總結(jié)出地下結(jié)構(gòu)的震害特征主要有以下幾個方面[6][7]：①地下結(jié)構(gòu)由于受周圍土體的約束故隨著埋深的增加而破壞越小。②地下結(jié)構(gòu)周圍土體環(huán)境（土層、襯砌或圍巖）的剛度越大，結(jié)構(gòu)破壞越小。③地下結(jié)構(gòu)所處地質(zhì)環(huán)境較差（斷層、滑坡、軟弱帶等），或者土層條件發(fā)生較大變化時，結(jié)構(gòu)易被破壞。④地下結(jié)構(gòu)的出入口、結(jié)構(gòu)剛度和形狀突變部位容易破壞。

2 地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法

地下結(jié)構(gòu)的抗震分析方法有很多，現(xiàn)階段主要有三種：一為原型觀測法，即通過對地震中地下結(jié)構(gòu)的觀測來解釋地下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)；二是模型實驗法，通過振臺模型試驗定性的再現(xiàn)地震現(xiàn)象，以此來總結(jié)地下結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律分析災(zāi)害后果；最后為理論分析，通過用數(shù)值方法或解析法建立合理的系統(tǒng)模型來模擬分析地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征。以上這三種方法各有特點和不足，通常需要將這三種方法結(jié)合起來以得到地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律。首先通過原型觀測來監(jiān)測地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及破壞過程，然后通過模型試驗再現(xiàn)其地震的實際現(xiàn)象，此過程中可控制邊界條件和土層性質(zhì)等使得模型試驗更加豐富，以定性的研究地下結(jié)構(gòu)在地震過程中的響應(yīng)規(guī)律，最后再利用分析軟件建立合理的數(shù)值模型，模擬地下結(jié)構(gòu)在實際工程中的地震響應(yīng)。

數(shù)值法和解析法是工程設(shè)計中兩種常用的主流理論分析方法。其中，數(shù)值法是把結(jié)構(gòu)和土體作為一個整體，在充分考慮土體非線性的基礎(chǔ)上求解得出地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。在數(shù)值法中，運用較為廣泛的是動力有限元法，該方法利用有限元思想，可以模擬各種復(fù)雜邊界，分析復(fù)雜地質(zhì)條件下結(jié)構(gòu)的破壞，并且計算結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。并且動力有限元法可以與最新計算機軟件結(jié)合，如ABAQUS和 FLAC3D等，使之在分析計算地下結(jié)構(gòu)的地震動力反應(yīng)時相得益彰。

現(xiàn)階段，針對地面結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計分析方法已相對成熟，但由于地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)對地震的響應(yīng)大不相同，故不能照搬地面抗震設(shè)計分析方法。上世紀(jì)中后期，地下結(jié)構(gòu)的抗震理論與設(shè)計方法才逐漸開始發(fā)展。主要有兩種設(shè)計分析方法，即動力時程分析法和擬靜力法。動力時程分析法雖然能精確反應(yīng)出結(jié)構(gòu)各個時刻的動力響應(yīng)，但是計算工作量過于龐大而且技術(shù)要求高，難以在工程中實踐應(yīng)用。鑒于此，許多學(xué)者提出了一系列相關(guān)實用的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法，即擬靜力法。擬靜力法在計算過程中進行了假設(shè)和簡化，因此計算量小，但精度不如時程分析法。但是該方法能合理反應(yīng)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點，故可以滿足工程設(shè)計要求。因此該方法也不失為一種實用有效的計算分析方法。

在分析地下結(jié)構(gòu)的抗震性能時，由于地下結(jié)構(gòu)受地基振動及周圍土體的影響，結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，如果用三維模型來模擬，其計算過程中的高度非線性導(dǎo)致計算難以收斂且非常耗時。針對上述問題，各國學(xué)者研究提出了橫斷面和縱斷面抗震設(shè)計分析方法，即斷面分析法。本文主要對這兩種方法中的一些算法作簡要介紹和對比。

①縱向抗震計算方法。

反應(yīng)位移法在上世紀(jì)70年代由日本學(xué)者提出，該方法主要用來模擬計算地下線性結(jié)構(gòu)，并且認(rèn)為影響地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素為地基變形。

自由場變形法于上世紀(jì)60年代提出，之后由St.John和Zahrah改進，推導(dǎo)了隧道由不同入射波從不同角度入射時的軸向應(yīng)變、剪應(yīng)變等。這種算法常與數(shù)值法相結(jié)合，不僅計算簡便，而且有效實用，曾用于許多大型工程。

②橫截面抗震計算方法。

地震系數(shù)法是以靜力理論為基礎(chǔ)，將地震荷載用與之相當(dāng)?shù)撵o荷載替代，從而利用靜力模型來分析地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的一種方法。這種方法一般用于地下結(jié)構(gòu)重量遠(yuǎn)大于圍巖重量或者地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)合建時。但是地震系數(shù)法的缺點是不能準(zhǔn)確的反應(yīng)地下結(jié)構(gòu)地震特點，而且當(dāng)結(jié)構(gòu)埋深或土層模量改變時，該方法的計算結(jié)果不再準(zhǔn)確。

土-地下結(jié)構(gòu)相互作用法其主要理論依據(jù)為地下結(jié)構(gòu)與巖土介質(zhì)在地震作用下的位移波形相似，從而研究得出。在做橫斷面設(shè)計時，該方法將土和地下結(jié)構(gòu)作為一個整體而建立模型，首先對自由場地在地震作用下進行分析，然后將自由場地的剪切變形乘以相互作用系數(shù)得到結(jié)構(gòu)剪切變形，從而計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等。

反應(yīng)位移法于上世紀(jì)70年代提出，該方法首先應(yīng)用于縱斷面抗震計算方法中，隨后才逐漸應(yīng)用于橫截面法中。該方法考慮到下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點，將地層在地震作用下產(chǎn)生的相對位移通過地基以靜荷載的形式施加在地下結(jié)構(gòu)上，從而計算求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等。這種方法用靜力的方法求解動力問題，簡便有效容易計算，而且如果各項地震參數(shù)考慮周可以得出較好的結(jié)果。但反應(yīng)位移法也有一定缺陷，首先其土體彈簧剛度值難確定，不論根據(jù)實驗結(jié)果還是地震觀測均難以準(zhǔn)確推定，而不同彈簧剛度相對于結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果相差很大；其次該方法難以體現(xiàn)土體在地震時的相互作用，故不能真實反映地震時土體對結(jié)構(gòu)的動力作用。

地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析根據(jù)地上結(jié)構(gòu)的 PUSHOVER分析方法而研究得出。該方法中需重點考慮水平荷載的分布形式，即對各土層和結(jié)構(gòu)按照所處位置施加相應(yīng)的水平加速度，考慮其水平慣性力，從而分析計算地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

3 結(jié)語

綜上，我們知道世界各國都已開始關(guān)注地下結(jié)構(gòu)的抗震問題，并且提出了一些分析地下結(jié)構(gòu)抗震的方法。目前，我國開始在一、二線城市大力修建地鐵，而且許多地鐵工程處于高烈度區(qū)，故更需要開展更加深入的理論分析和實驗研究，完善現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法，提出優(yōu)良的地下結(jié)構(gòu)抗震體系。這對我國城市建設(shè)有著重要的工程價值。

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