淺析地下結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)與對(duì)策

關(guān)鍵字：地下結(jié)構(gòu)；地震反應(yīng)；抗震設(shè)計(jì) 

　　1.引言 

　　長(zhǎng)期以來(lái)人們普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)的數(shù)量少且抗震性能又優(yōu)于地面建筑，因此對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)沒(méi)有充分重視。然而，近幾十年來(lái)，隨著地下結(jié)構(gòu)工程在我國(guó)各大中城市的大量修建，功能與用途也日趨增多，但頻繁的地震破壞給社會(huì)帶來(lái)了巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失，因此地下結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題也日益受到世界各國(guó)地震工作者的關(guān)注，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究已成為目前地震工程界的研究熱點(diǎn)[1-3]�，F(xiàn)在人類應(yīng)對(duì)地震造成的建筑物破壞，主要采取兩個(gè)方面的措施來(lái)解決：一方面是通過(guò)減小地震震動(dòng)的輸入來(lái)控制地震動(dòng)影響建筑物，使建筑物處于在承受的范圍之內(nèi)；另一方面通過(guò)改變建筑物本身的性能來(lái)適應(yīng)或應(yīng)對(duì)地震動(dòng)，以減小對(duì)建筑物的影響。地震時(shí)帶來(lái)的地震震動(dòng)使大地發(fā)生位移后，在建筑物上產(chǎn)生了附加的力和位移。無(wú)論是地上結(jié)構(gòu)還是地下結(jié)構(gòu)，要使地震對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響最小，均需要從這兩個(gè)方面來(lái)考慮采取具體的方法與對(duì)策。 

　　2.地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn) 

　　地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)存在明顯的區(qū)別。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，地面結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)主要以其本身的動(dòng)力反應(yīng)為主，而地下結(jié)構(gòu)因?yàn)楸煌馏w所約束，會(huì)與周圍的土體發(fā)生動(dòng)態(tài)相互作用。地震波由基巖經(jīng)軟土層傳至結(jié)構(gòu)物，引起結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和變形并且部分地震波經(jīng)反射入土層，對(duì)其產(chǎn)生反作用。模型邊界波的能量向半無(wú)限空間輻射，引起能量的損失。因此，地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)如下： 

　　1） 周圍地基土壤顯著影響約束著地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形，地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)表觀出自振特性現(xiàn)象一般不明顯。 

　　2） 地下結(jié)構(gòu)基本不會(huì)引起周圍地基的震動(dòng)，即地下結(jié)構(gòu)的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震的波長(zhǎng)。 

　　3） 地震波的入射方向嚴(yán)重影響著地下結(jié)構(gòu)的震動(dòng)形態(tài)，地震波的入射方向發(fā)生較小偏移或者改變時(shí)，可能會(huì)引起地下結(jié)構(gòu)各點(diǎn)變形和應(yīng)力的較大變化。 

　　4） 地下結(jié)構(gòu)在震動(dòng)中各點(diǎn)的相位差別比地面結(jié)構(gòu)明顯。 

　　5） 地下結(jié)構(gòu)在振震動(dòng)中的主要應(yīng)變一般與地震所產(chǎn)生位移場(chǎng)大小有密切關(guān)系，而與地震加速度大小關(guān)系較小。 

　　6） 地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與其填埋深淺變化的關(guān)系不大。 

　　7） 地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)與地基的相互作用，都會(huì)影響其動(dòng)力反應(yīng)，但影響的方式和程度則存在明顯差異。 

　　3.地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法 

　　地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，目前存在的設(shè)計(jì)方法較多[4]。一般工程設(shè)計(jì)人員可能無(wú)法根據(jù)其實(shí)用性來(lái)恰當(dāng)合理的判斷并選用一種或多種進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，也無(wú)法了解各種設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果的差異性規(guī)律。本文根據(jù)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)常見(jiàn)的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，為設(shè)計(jì)人員提供一定的理論依據(jù)。 

　　3.1反應(yīng)位移法 

　　反應(yīng)位移法認(rèn)為地震時(shí)主要地震荷載為周圍地層的變形，根據(jù)具體的地質(zhì)條件沿地下結(jié)構(gòu)的縱向或者橫斷面的深度方向判斷地層變形，將地震時(shí)地層產(chǎn)生的位移差通過(guò)地基彈簧以靜荷載的形式作用在結(jié)構(gòu)物上，然后求得結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)力大小。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)的剛度較大而密度小于地層時(shí)，其縱向變形取決于周圍地層的位移，包括縱軸水平和豎直方向的位移。計(jì)算過(guò)程中需要利用最危險(xiǎn)的瞬時(shí)地層變形分布輸入體系，并從地震時(shí)的地層變形、覆土影響、土壓、結(jié)構(gòu)本身的慣性力、液化影響、水壓及浮力等方面進(jìn)行綜合考慮。 

　　3.2等效靜載法 

　　地震加速度在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的慣性力可以被認(rèn)為是地震荷載，計(jì)算其施加在結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)力和變形，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，該方法被稱為等效靜載法，適用于地震荷載中慣性力占支配作用的結(jié)構(gòu)物。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)物的重力大于周圍地層重力時(shí)，結(jié)構(gòu)物自身慣性力起支配作用，響應(yīng)加速度與周圍地層加速度基本相同。但是較柔地下結(jié)構(gòu)則響應(yīng)不同，需要修正等效靜載法。當(dāng)計(jì)算結(jié)構(gòu)承受荷載時(shí)，除受到的地震慣性力外，還應(yīng)該考慮土壓、內(nèi)部液體的動(dòng)壓力等。 

　　3.3BART隧道設(shè)計(jì)法 

　　BART隧道設(shè)計(jì)法起源于美國(guó)20世紀(jì)60年代末修建舊金山海灣地區(qū)的快速運(yùn)輸系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱BART）中采用的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。它包括抗震特點(diǎn)、變形限制、土體不連續(xù)影響、內(nèi)部構(gòu)件、附屬構(gòu)件、細(xì)部結(jié)構(gòu)、土壓力、臨時(shí)結(jié)構(gòu)等抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容。該方法假定土體在地震期間不會(huì)喪失完整性，且只考慮地震作用下隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)。在抗震設(shè)計(jì)中，提供結(jié)構(gòu)有效的韌性來(lái)吸收土體強(qiáng)加到結(jié)構(gòu)的變形，同時(shí)不使其承受靜載的能力喪失。 

　　3.4平面有限元整體動(dòng)力計(jì)算法 

　　平面有限元整體動(dòng)力計(jì)算法是根據(jù)其動(dòng)力響應(yīng)特性，分別以合適的力學(xué)模型離散化地層和結(jié)構(gòu)體系，生成網(wǎng)格體系，設(shè)計(jì)整個(gè)體系的輸入地震波形，并且計(jì)算整個(gè)力學(xué)模型的時(shí)間響應(yīng)，從而求得在設(shè)計(jì)地震波作用下結(jié)構(gòu)物的各部分應(yīng)力和變形的時(shí)間歷程。 

　　3.5質(zhì)點(diǎn)―彈簧模型 

　　該模型用于沉管隧道的抗震設(shè)計(jì)。假設(shè)圍巖是由單一的表土層和其下方的堅(jiān)硬基巖組成，其自動(dòng)特性不受隧道存在的影響，地下結(jié)構(gòu)在地震產(chǎn)生的應(yīng)變中起主導(dǎo)作用的是表土層的剪切基本振動(dòng)振型，結(jié)構(gòu)自身慣性力對(duì)其動(dòng)力形態(tài)有較小影響，可以不予分析考慮，根據(jù)圍巖變形計(jì)算結(jié)構(gòu)變形，地下結(jié)構(gòu)被作為一彈性地基。 

　　3.6節(jié)段長(zhǎng)度法 

　　節(jié)段長(zhǎng)度法以土與結(jié)構(gòu)相互作用作為準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題考慮，提供不同剛度的結(jié)構(gòu)、土壤以及各種節(jié)段長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)的最大彎矩和最大拉力，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的節(jié)段長(zhǎng)度可以用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)縱軸應(yīng)變和應(yīng)力的調(diào)整，常用有拉伸模型和彎曲模型。 

　　3.7設(shè)計(jì)反應(yīng)譜法 

　　假定地震時(shí)的結(jié)構(gòu)位移最大等于周圍地層的位移，從土壤到結(jié)構(gòu)的“位移傳遞比”取決于土壤和結(jié)構(gòu)的剛度，即假定不破壞周圍土體，根據(jù)強(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)的加速度記錄計(jì)算譜圖，然后利用地下結(jié)構(gòu)作為彈性介質(zhì)靜態(tài)的處理方法來(lái)計(jì)算位移傳遞比。

　　4.抗震設(shè)計(jì)方法的合理選擇 

　　上述幾種抗震設(shè)計(jì)方法可以按照所研究對(duì)象的空間性來(lái)分類，可以分為以下幾類：（1）橫斷面抗震設(shè)計(jì)方法：反應(yīng)位移法（橫斷面）；等效靜力荷載法；BART隧道設(shè)計(jì)法（橫斷面）；平面有限元整體動(dòng)力計(jì)算法。（2）縱向抗震設(shè)計(jì)方法：反應(yīng)位移法（縱向）；BART隧道設(shè)計(jì)法（縱向）；質(zhì)點(diǎn)―彈簧模型；節(jié)段長(zhǎng)度法；設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。（3）三維有限元整體動(dòng)力計(jì)算方法。 

　　為了合理選擇上述地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法，提高工程的抗震能力，首先應(yīng)該根據(jù)地下結(jié)構(gòu)類型、特點(diǎn)和所處地質(zhì)情況，其次需要結(jié)合所研究的重點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)的橫向荷載、位移和動(dòng)力特性與縱向部位之間存在著很大的差異，此外在模型的選擇、條件和約束邊界的選取與簡(jiǎn)化等方面也有差異。為了提高地下結(jié)構(gòu)抗震的可靠性，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的選址，應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離地震活斷層和不穩(wěn)定的地帶，避免巖層風(fēng)化的區(qū)域和飽和砂土地基，并且加強(qiáng)出入口的抗震性能設(shè)計(jì)。 

　　5.結(jié)束語(yǔ) 

　　地下結(jié)構(gòu)的地震表現(xiàn)形式多樣，破壞機(jī)理復(fù)雜且影響因素較多。近年來(lái)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和分析研究工作已取得了一些成果，但還沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)完善的抗震設(shè)計(jì)方法。因此，在實(shí)際工程中要能夠更好地達(dá)到抗震目的，筆者認(rèn)為需要了解地震作用機(jī)理，依據(jù)工程類別經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)選址、建筑材料選用和施工質(zhì)量控制等方面去綜合考慮地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法與對(duì)策。 

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