浅析结构抗震与地下结构抗震

摘要：本文综述了地下隧道结构的地震反应特性和抗震分析的基本方法，简要介绍了目前国内外地下隧道结构抗震研究的现状、各种理论及实用

分析方法以及今后的一些发展动态，并就各种分析方法作了简单的比较分析。

关键词：地下隧道结构， 抗震分析， 地震响应 ，相互作用

Abstract: this paper reviewed the underground tunnel structure seismic response characteristics and seismic analysis of the basic method, at home and abroad are briefly introduced the underground tunnel structure seismic research of the present situation, the various theory and practical analysis method and the future development of some dynamic, and all kinds of analysis method for the analysis and comparison of the simple.

Keywords: underground tunnel structure, seismic analysis, seismic response and interactions

中图分类号： TU352.1+1 文献标识码：A文章编号：

一、地下隧道结构的抗震分析方法

目前地下隧道结构抗震问题的研究方法主要有：原型观测，实验研究以及理论分析。

原型观测就是通过实测地下隧道结构在地震时的动力特性来了解其地震响应特点。由于严格地讲地震后土体与结构物的变形是一个场的概念，而模型试验很难模拟这一点，所以原型观测成为地下隧道结构抗震研究中必不可少的手段之一。它主要包括震害调查和现场试验两大类。震害调查往往是在地震结束后才开始进行的，因而受观测时间、手段和条件等的限制，但是震害是最真实的“原型试验”的结果，因此一直受到人们的重视。目前这方面的资料收集正在不断的增加。尤其是1995年日本阪神大地震发生后，进行了广泛的震害调查，收集了大量有益的资料。但震害调查很难对地震过程中的动力响应进行量测，也无法控制地震波的输入机制和边界条件，更无法主动地改变各种因素以对某一现象进行有目的、多角度的研究。故有时就不得补借助于现场试验，它可以在一定程度上弥补这一缺陷。

实验研究就是通过激震实验来研究隧道结构的响应特性。它可以分为人工震源实验和振动台实验。一般的，由于前者较难反映结构的非线性及地基断裂等因素对隧道结构地震反应的影响，故用的不多，而振动台实验则可以较好处理这方面的问题，因此被广泛采用。通过实验人们可以更好的掌握地下隧道结构的工作特性，进而为抗震分析的理论发展奠定基础。该法在实验区域的选择和地基特性的模拟方面还有待进一步研究。

对地下隧道结构这种大型结构，以上的两种方法在实际的运用中都不可避免地会有代价昂贵的问题，因此理论研究无疑是不可或缺的研究途径。理论分析的主要基础是波动理论和有限元方法。地下隧道结构的震害、动力反应及结构自身(纵向尺寸远大于横向尺寸)特点决定了其抗震分析方法的特点。对地下隧道结构，其抗震设计方法会因不同的施工工艺(如明挖法，盾构法等)而有所不同，但综合来看其响应分析的研究方法大致可分为两大类：一类为波动法，它以求解波动方程为基础，将地下结构视为无限线弹性(或弹塑性)介质中孔洞的加固区，将整个系统作为对象进行分析，求解其波动场和应力场。另一类为相互作用法，这是以求解结构运动方程为基础，将土介质的作用等效为弹簧和阻尼。这两种方法各有特点，其要点如下：

1． 波动解法。

该法按波动方程来求解地下结构及其周围介质这一整体的波动场与应力场，忽略了土体与结构间的相互作用情况，认为地下结构的存在对该处的波动场没有影响，在采用该法设计时，可以将所求得的该处土体的波动变位直接加在结构上来求解结构的响应。它求解结果的精确程度取决于结构与周边土体刚度差异的大小，较适用于初步设计中对结构响应的估算。

波动法对求解地震动引起的小变形是简单有效的。但波动解法在应用上需要将问题作大量的简化，如一般要假设介质为均匀的(弹性的或粘弹性的)，波型是单一的并且入射波为平面波等，可实际地层的构成是十分复杂的，地震波在临近地表面时将发生反射、折射，进而构成十分复杂的现象。这就使波动解法不能很好的反映工程实际，且由于应力场的解法实质上是一种拟静力法，所以在波动的频率较高、以及地震波的传播受到较多干扰的情况下，其应用就会受到一定的限制。同时将它用于软土等结构与地基介质刚度比相差较大的隧道结构计算时，其计算结果常偏于保守，这些情况下就不得不考虑土一结的相互作用了。

2． 相互作用解法。

这是一种结构动力学的方法。该法以结构为主体来求解其地震响应，而周围地基介质作用则通过相互作用力来反映，也就是说将介质的作

用等效为弹簧和阻尼。由于地下隧道结构本身的地震响应才是我们研究的重点，故相互作用的分析方法就更具有较好的实用性。

相互作用法的基本假定是地基介质中的波动场不因结构的存在而受到影响。实际观测与模型试验都表明都验证了这一点，从而可将问题的求解分为以下两步：首先不考虑结构的存在，求解介质中自由场的地震响应；再根据结构所在位置土体的运动来求解结构响应。其中，如何考虑介质对结构运动产生的相互作用力。也就是求得地基介质的复阻抗，是该法的重点也是难点，因为确定无限地基对地下隧道结构的相互作用影响通常是非常困难的。在具体的抗震分析中，隧道通常简化为一维结构。

相互作用法的本质是解决地震作用下由于波动在土一结系统内传递所引起的响应问题。该法能否有效地解决实际问题，主要取决于对计算对象的模型化是否合理，也就是要处理好以下几个关键问题：土一结系统初始状态的评价；地震波输入机制及随机地震动参数的时空分布特性；土一结系统动力相互作用的数值模型及方法；土体与结构材料和二者接触面的静动本构模型及模型参数的确定；考虑非线性的动力分析方法等。

从目前的研究水平来看，在强震环境下的动力相互作用分析离能真实地模拟工程实际，尚有很大的差距。尤其是以下几个问题有待解决：土体非线性大变形影响问题：接触面动力特性及其本构描述问题；多相介质与结构物相互作用问题；土体材料的阻尼问题；理论验证手段及技术的开发问题；震害调查和原型观测资料的收集和积累问题等。

二 现有地下隧道结构抗震分析的实用方法

1．BART法。

该法是美国在上世纪六十年代末修建圣弗兰西斯科海湾地区的快速运输系统(简称BART)中所建立的地下结构抗震设计准则。其目的是能较普遍适用于广泛的结构形式和地层条件，对结构设计中遇到的问题可简单、快速地作出评价，故它包括了抗震特点、变形限制、各种构件和结构、土体不连续性的影响、土压力的影响等。该法假定土体在地震期间不会丧失完整性、且只考虑地震作用下隧道结构的振动效应。

其总体的指导思想是在抗震设计中，给结构提供有效的韧性来吸收土体强加给结构的变形，同时又不丧失其承受静载的能力，而不是以特定的单元去抵抗其变形。

隧道结构还应设计成能够适应地层弯曲变形，此时结构的最大单元应变应根据波与结构斜交的情况得出。设计者利用该法可快速确定地震引起的地层振动特性，进而为结构抗震设计提供依据。

2．反应变位法(响应位移法)。

上世纪70年代日本学者在地震观测中发现：地下结构地震中支配其地震响应的控制因素是场地位移，略去结构本身的惯性力和阻尼效应对计算结果的影响很小。基于此提出了地下线状结构物的抗震设计方法——反应位移法。其基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物。将地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基梁上，以求解粱响应，从而计算结构的地震反应。

3.围岩应变传递法。

日本学者根据地下管道、隧道等响应的波形与围岩介质的地震响应波形几乎完全相似的地震观测结果和地震波动场理论分析的结果提出的一种实用分析方法，可用于隧道结构的地震响应分析。

围岩应变一般假定为无洞穴岩体中洞穴中心位置的应变。对隧洞轴向的应变和应变传递率仍可采用上一节的计算模型进行分析，其重点仍是地基抗力系数的确定。滨田政则等曾做过这方面的研究，该法的关键是确定与设计地震强度相符的围岩应变。

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