关于地下结构抗震设计的几点思考

金晓波

杭州铁路设计院有限责任公司 310006

摘要：随着地下建筑物的增多，地下结构抗震设计成为了重点工程之一。地下结构抗震尤其特定的原理，必须要从特定的原理出发展开设计才能够保证设计的有效性和科学性，满足抗震的需要。本文结合工作经验主要将从以下几个方面来具体分析地下结构抗震设计进行分析。

关键词：建筑工程；地下结构；抗震设计；思考

一、结构和土相互作用的分析模型

在地震作用时，地铁等地下工程结构和土会出现弹塑性和非线性的特点，相互之间的接触有可能出现局部的滑移和脱离。因此，在建立结构和土相互作用结构模型时要考虑结构材料的非线性、结构和地基接触的非线性、近场地基和远场地基的非线性等因素。目前对这几种非线性的单个研究已经很成熟，但是在实际工程中如何综合利用这些非线性的研究成果来建立合理的地铁等地下工程结构的分析模型还要进一步的讨论。

地铁车站等地下结构受到场地周围地基地震反应的影响十分显著，在地震作用时，地铁周围的土特别是上层覆土的重力作用对地铁结构的影响不容忽视，因此，如何在分析模型中体现地铁地基的静力作用和地基的半无限性也是一个很重要的问题。解决这一问题主要靠合理的设定静力人工边界和动力人工边界，但是目前的边界模型一般来说不适合应用与地下结构，很有必要发展一种对静力分析及动力分析都可以适用的静力—动力人工边界，直接在边界上输入地震波，计算结构的地震反应。

二、地下结构地震动反应的特点及其基本分析方法

從以往的震害报道中可以看出，地下结构与地面结构的振动特性有很大的不同：

1、地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著，结构的动力反应一般不明显表观出自振特性的影响；

2、地下结构的存在对周围地基震动的影响一般很小（指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况）；

3、地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大，地震波的入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化；

4、地下结构在振动中各点的相位差别十分明显，而地面结构各点在振动中的相位差不很明显；

5、地下结构在振动中的应变一般与地震加速度的大小联系不很明显；

6、地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显；

7、对地下结构和地面结构来说，它们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响，但影响的方式和影响的程度则是不相同的。

地下结构抗震设计计算方法，从力学特性上可分为拟静力计算方法和动力反应分析方法两类。由于地震是动力作用，显然动力反应分析方法应是理想的抗震设计方法。但是动力反应分析方法消耗计算机资源大，计算时间长，更重要的是动力反应分析需要高度的多方面专业知识和技能，对技术人员素质要求很高，且操作繁杂，对计算结果的评价也不容易，因此，国际上通常使用拟静力计算方法。我国现行地铁设计规范中关于抗震设计部分，也是规定基本采用反应位移法或地震系数法的拟静力计算方法进行分析。

三、地下结构抗震设计中常用方法

最早形成拟静力计算方法雏形是在上世纪60年代，60年代初，前苏联学者在抗震研究中将弹性理论应用于地下结构，以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域的应力应变状态，得出了地下结构地震力的精确解和近似解。60年代末，美国在建设快速地铁运输系统（BART）时，对地下结构抗震进行了较深入的研究，提出了地下结构并不抵御惯性力而是具有强加变形的延性，同时还不散失其承受静荷载力等新的设计思想。到了70年代后期和80年代，日本学者依据地震观测和模型试验资料，结合波动理论，提出了反应位移法、应变传递法等实用的拟静力计算方法，大大丰富了地下结构的抗震理论。

1.ST.John法

该法以弹性地基梁模型来考虑土-结构的相互作用问题，但忽略了土体与结构之间的动力相互作用，是一种拟静力分析力方法。该法认为在地震荷载作用下，隧道截面产生与自由场的轴向、弯曲和剪切变形相对应的轴向、弯曲和剪切应变。

由地震波引起的地下结构承受的地震荷载，按其受载方式可分为3种。

（一）弯曲荷载：它是由地震波沿着与隧道轴线平行的方向传播而产生的，其结果导致隧道在纵向和

横向平面内的变形。

（二）横向荷载：它是由横向传播的剪切（SH）波、压缩（P）波、Rayleigh波、Love波等在隧道外壁产生的

动力剪应力和门应力引起的。

（三）轴向荷载：它是由平行于隧道轴向的质点运动产生的。

ST.John法在是否考虑土与结构的相互作用时，引入了Peck教授提出的柔度比概念，即：如果柔度比F>20，则认为衬砌是完全柔性的，土体与结构不发生相互作用，地下结构屈从于周围介质一起运动；

如果柔度比F<20，则土体与结构发生相互作用，地下结构阻止土体的变形。

2、Shukla法

美国学者Shukla等人在20世纪80年代初应用弹性地基梁原理，采用拟静力方法来考虑土体与结构的相互作用，建立了地下结构的数学模型。地震波在长大的地下结构内传播时，会在垂直于结构轴线的截面内产生横向应力，在平行于地下结构轴线方向上产生轴向应力及弯曲应力。

3、反应位移法

反应位移法的计算模型是将土以等效刚度的弹簧来代替，结构设为梁单元，土与结构的相互作用通过土弹簧和梁单元连接的方式表现。地震荷载在模型上施加方法为：

（一）以地震时一维自由土层在结构上下底位置相对水平位移达到最大值时的位移作为强制位移施加到土体弹簧远离梁单元的一端；

（二）将地震时结构接触面位置自由土层的剪应力离散为接触面切线方向的结点力，施加到接触面的梁单元结点上；

（三）假设地震时自由土层的反应加速度与结构的反应加速度是一致的，将其作为体力转化成横向结点力施加于结构全体的梁单元上。

4、有限元反应加速度法

八十年代以后，随着有限元数值模拟方法的改进，针对反应位移法的缺陷，国际上如日本等国在许多工程中采用有限元模型的拟静力分析方法，其中被广泛接受的是有限元反应加速度法。其基本模型是将土分割为二维平面应变有限元，结构作为梁单元与其连接。计算地震荷载的方法也是首先进行一维土层反应计算，从中抽出地下结构上、下底位置发生最大相对位移时刻随土层深度分布的水平向加速度值，然后将其转化成节点力离散到有限元模型的土层和梁元素各节点上。这里，地震时土单元的刚性值可通过一维土层反应分析时得到的收敛剪切模量计算得出。

该方法由于直接将土划分为二维平面应变有限元，不用计算土的弹簧刚性值，因而消除了反应位移法中确定土弹簧时所带来的误差，并能够真实地反映与土相连的结构角部的应力畸变情况，计算精度较反应位移法有所提高。

四、抗震设计方法的合理选择

为了合理选择上述地下结构的抗震设计方法，提高工程的抗震能力，首先应该根据地下结构类型、特点和所处地质情况，其次需要结合所研究的重点，如结构的横向荷载、位移和动力特性与纵向部位之间存在着很大的差异，此外在模型的选择、条件和约束边界的选取与简化等方面也有差异。为了提高地下结构抗震的可靠性，提高计算的准确度，对于地下结构的选址，应该尽量远离地震活断层和不稳定的地带，避免岩层风化的区域和饱和砂土地基，并且加强出入口的抗震性能设计。

五、结束语

总的来说地下结构抗震设计的重点很多，必要时从客观的角度出发，分析抗震设计的基本原理，进而按照需要，采用符合实际情况的设计方法，保证设计的有效性。

参考文献：

[1]马险峰.地下结构的震害研究[D].上海：同济大学，2010.

[2]董鹏，周健.土与结构相互作用下的地下建筑物动力可靠性分析[J].建筑结构学报，2012.

[3]白广斌，赵杰，汪宇.地下结构工程抗震分析方法综述[J].防灾减灾学报，2012，28（1）.