地下建筑结构抗震设计的若干问题

【摘 要】随着全球经济的快速发展,地下空间得到了广泛的利用.由于越来越多的震害发生,地下结构的安全稳定性引起了政府和社会的普遍关注.本文介绍了地下结构抗震设计的主要方法,简述了地下结构发生地震时的动力反应特性,提出了一些提高地下结构抗震承载力的措施.

【关 键 词】地下结构；地震；动力反应

1引言

随着经济建设的快速发展和人口的不断增加,人们对交通和商业的要求也不断提高,原有的地面结构已不能满足人们的需要.为了缓解地面的交通压力,减弱能源危机的影响,我国开始广泛利用地下空间.目前,地下结构已在交通、能源、国防工程的方面得到了广泛的应用.近几十年来,我国在城市中修建了很多地铁、人防及其他工程,给我们的生活带来了许多好处,但同时也带来了一些有待解决的工程实际问题,其中地下结构抗震性能的研究就是一项重要课题.由于地下震害的资料相对较少,所以长时间以来人们普遍认为地下结构的抗震性能较好,对地下结构抗震研究重视不足.但近些年来,地下结构震害的频繁出现表明,现有的地下结构并不一定安全,在强地震作用下可能发生严重的破坏,例如在1985年墨西哥8.地震中,建在软弱地基上的地铁侧墙与地表结构相交部位发生分离破坏现象.由于我国地处欧亚大陆板块、太平洋板块和印度板块之间,地震活动非常频繁,6度及6度以上地震设防的地区就占全国总面积的三分之二以上,因此在对地下结构进行设计时要充分考虑抗震问题.

2地下结构抗震成研究的主要方法

目前,地下结构抗震的研究方法主要有原型观测、模型实验和理论分析.原型观测方法是通过实地测量地震作用下地下结构的动力反应及震害情况,揭示地下结构抗震性能、震害机理的方法.主要包括地震观测和震害调查两种途径.地震观测方法需要地震发生前在所观测的地下结构内部关键部位及围岩中埋设加速度计等有关测量装置.由于地震的发生难以预知,因此此种方法得到资料较少,这方面工作开展相对较多的国家是日本.1970年,日本利用松化群发地震,测定了地下管线动态应变,通过对测定结果的研究分析发现：管线与周围地基一起振动,而自身并不发生振动.通过大量的地震观测资料,进一步了解了地下结构的振动特性,逐渐认识到对地下结构地震反应起决定作用的是周围土体的变形而不是地下结构的惯性力,后来根据这一结论提出了反应位移法.震害调查是最真实的“原型试验”结果,一直受到人们的重视.目前,这方面的资料正在不断地积累,尤其是1995年日本阪神地震后收集到的大量的地下结构方面的震害资料对于揭示地下结构的震害机理,认识地下结构的抗震性能等方面有着重要的研究价值.

模型实验方法是地下结构抗震研究的重要途径,主要包括人工震源实验和振动台实验.人工震源实验由于激震力相对较小,地下结构很难达到较高的应力状态,无法反应地下结构非线性性质及周围土体破坏等因素对地下结构动力反应的影响,所以目前此类实验应用相对较少.振动台实验能够较好地把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用特性,所以应用相对较多,近年来取得了丰硕的成果.

目前地下结构抗震理论分析方法主要有波动解法和相互作用法两类.其中波动解法是先以波动方程为基础求解地下结构与周围介质中的波动场和应力场,然后再按照无限介质中的孔口问题处理,求得支护结构及围岩中的应力.该方法不考虑土结相互作用的影响,实际应用中需要对问题做许多简化,一般主要应用于研究地下结构抗震平面问题.相互作用法是首先求解介质中自由场的地震运动,再根据结构所在部位地基的运动求解地下结构的运动方程.其中需将周围介质的作用等效为弹簧和阻尼器,考虑相互作用的影响.此方法比较适于从整体上反映地下结构的三维特性.

3几种主要的地下结构抗震设计方法

目前,国内外没有制定统一的地下结构抗震设计标准,我国地下结构的抗震设计主要采用静力法、反应位移法和动力反应分析法三种方法.

静力法是指将地震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算,普遍应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计,它将地震时的土压力、结构物和结构物以上覆盖土层作为外力考虑,此方法的缺陷是没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互关系.

反应位移法是指用弹性地基上的梁来模拟地下现状结构,将地震时地基的位移当作已知条件,作用在弹性地基上,以求解在梁上产生的应力和变形,从而计算地下结构的地震反应.该方法的理论基础在于地震时支配地下结构的地震反应是地基变形.目前,许多地下管线使用这种方法来进行其抗震设计.这种方法的缺陷在于把不规则地震波的传播看作同一周期和同一方向的地震波,与实际相差甚远.

动力反应分析法的基本原理是采用有限元理论,将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应.该方法可细分为考虑土结构的相互作用和不考虑土结构的相互作用两种.使用这种方法不但可以求得结构受地震作用时的反应最大值,而且还能观察到结构反应的全过程.此方法在结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析中得到广泛应用.此方法的缺点在于很难得到规律性的结论,其结果需要得到实验或理论解析解的验证.

4地震时地下结构的动力反应特性

由于地下结构全部埋置在土中,周围岩土介质对地下结构有一定的约束作用,所以地震发生时地下结构会出现如下一些与地面结构不同的响应：

4.1结构的动力反应一般不明显表现为结构自振特性的影响.

4.2地震波的入射方向对线性地下结构的振动性态影响较大,地震波入射方向的微小变化就可能引起地下结构较大的变形和内力变化.

4.3地基的运动变形对地下结构动力反应起主要作用.

4.4地震动力反应受埋深的影响很小.

4.5地下结构的动力反应受地下结构与周围地基土的相互作用影响很大.

5提高地下结构抗震承载能力的主要措施

根据地下结构的震害分析,提高地下结构的抗震承载能力可以从以下几方面提高地下结构的抗震承载能力：

5.1尽量将地下结构建在稳定的地基中,避免饱和砂土地基.

5.2尽量选择埋深较大的线路.

5.3尽量采取暗挖法施工.

5.4在结构中的节点处采用弹性节点.

5.5加强出入口的抗震性能.

6结束语

目前,我国对地下结构抗震方面的基础研究工作还存在不足,积累的资料也不全面,对地下结构的动力反应特性、抗震设计方法等方面的工作缺乏系统的研究,没有形成独立的地下结构抗震设计规范.因此,我们应该加强对地下结构抗震设计的研究,不断提高地下结构的安全稳定性.