地下建筑结构抗震性能分析与抗震简化计算方法探讨

李健伟

摘要：随着人口密度的不断增加，地面可以开发的空间越来越少，尤其是在发达城市，越来越多的地下空间被开发利用。地下空间在除了在科研、交通领域运用外，在其他方面的应用也越来越多。伴随着地下空间资源的广泛应用，人们对地下建筑结构在抗震方面也越来越关注。本文将简单的对地下建筑结构的抗震性能和地下建筑结构抗震设计的简化计算方法进行探讨，以期得出一些有关于地下建筑结构抗震性能和抗震简化计算方法的结论和建议。

关键字：地下建筑结构；抗震性能分析；抗震简化计算方法

关于地下建筑的抗震性能的分析和抗震简化计算方法的探讨起步较迟，在日本神户1995年地震发生之前，人们对地下建筑结构向来缺乏抗震设计。这是由于地下建筑结构不同于普通地面建筑结构，地下建筑结构受到围岩的的约束作用，在地震时并没有明显的自震特性表现出来。这是因为地下建筑结构的动力响应主要受到围岩介质的相对变形的影响，而与此同时地下建筑结构对围岩介质也会产生相对的作用，从而形成土——结构相互作用的现象。人们对地下建筑结构的抗震性能缺乏了解和认识，对地下建筑的抗震性能也不够关注。直到近些年，关于地下建筑结构关于抗震方面的研究才逐渐兴起，慢慢形成规模。下面本文就将简单的对地下建筑结构的抗震性能分析与抗震简化计算方法进行一些探讨。

一、地下建筑结构抗震性能分析

对于地下建筑结构，建筑结构土层的厚度和建筑所处地理位置的岩层种类等都对地下建筑结构的抗震性能产生影响。具体说来以下几个的方面因素都会影响到地下建筑的抗震性能。本文通过假设土体与结构在地震作用下变形协调为基础，通过建立三维地下建筑结构有限元单元整体分析模型，利用ABAQUS这一软件 分析地下建筑结构在地震单种工况作用下的抗震性能。与此同时，对地面结构也同样的建立三维整体有限元模型，比较得出地下建筑结构与之存在的差异，从而研究出土层厚度、围岩性质等因素对地下建筑结构地震响应的影响。通过模型分析，我们可以得出这样的一些结论。

1、地下建筑结构的埋深对其抗震性能有显著的影响。这是因为，在一定的范围内，如果地下建筑结构的埋深越深，地下建筑结构的结构内力就会越大，同时地下建筑结构的侧移也会变大。但当地下建筑结构的埋深突破了这个范围，地下建筑结构的结构内力和侧移受到建筑结构埋深的影响会逐渐变小，甚至埋深的深度对地下建筑结构的结构内力和侧移的影响呈反向的。

2、地下建筑结构所处的围岩性质对地下建筑结构的抗震性能有着直接的影响。地下建筑结构受到围岩的约束力因围岩的软硬而有所不同，如果围岩比较软那么其对地下建筑结构的约束力就相应的较弱，这就会导致地下建筑结构更易产生较大的变形，从而影响到地下建筑结构的抗震性能。

3、地下建筑结构包括结构与围岩的连接方式、结构类型以及结构尺寸三个方面在内也会对地下建筑的抗震性能产生重要的影响。就结构与围岩的连接方式分来看分别有结构-衬砌分离式地下建筑结构和结构-衬砌整体式地下建筑结构两种连接方式其中用的最多的是前者。此结构形式是结构与周围岩土介质直接接触，外围构件兼做洞室支护用。在进行模型分析时可以注意到，地下建筑结构的一层层间位移较多层间位移大的多，说明地下建筑结构的一层容易在地震时发生破坏，在进行建筑结构设计是要特别注意。

二、地下建筑结构的抗震简化计算方法

由于关于地下建筑结构抗震的研究起步较晚，人们对地下建筑结构抗震的研究发展也尚不够成熟，对地下建筑结构的的计算方法也因此而缺乏相应的研究，关于地下建筑结构的抗震简化计算方法同样也不够完善。在地下建筑的抗震计算方法方面，比较著名的计算方法有反应位移法、地下建筑结构三维整体有限元分析法、时域子结构在地下结构地震反应计算中的应用等。关于地下建筑结构的三维整体有限元分析方法，该计算方法有着计算精度高、计算时间短、计算内存小等特点，在地下建筑结构的抗震计算中有着广泛的应用。然而，利用ABAQUS建立地下建筑结构三维整体有限元模型进行地震响应分析时需要考虑诸多影响因素，使其在实际设计应用时并不适合。为此，理论分析和数值模拟相结合的方法研究地下建筑结构在地震作用下的平面简化分析方法——地下建筑结构简化为平面二维问题进行计算，使其能够在实际工程中得以方便的应用。虽然就理论分析上来看，三维有限元模型对地下建筑结构的抗震性的分析最为合理，但是并不适合实际设计之用。对于地下建筑结构，正如前文所言，并没有比较成熟的简化计算方法，考虑到地下建筑结构和地面建筑结构的相似性和二者之间关于围岩介质相互作用力的差异性，选择将地面结构将三维结构等效为平面结构的简化原理对地下建筑结构进行等效计算。考虑到地下建筑结构本身特点，可以取三种等效计算模型，分别是典型框架+单位厚度围岩的简化模型、考虑剪力墙翼缘的典型框架+典型框架负载范围厚度围岩的简化模型、等效综合框架-综合剪力墙+结构纵向范围厚度围岩简化模型。在对这三种简化模型进行比较分析后，可以得出如下结论。

1、对于采用典型框架+单位厚度围岩简化分析模型的地下建筑结构，其层间位移比三维模型大，底部层间侧移为更为后者的数倍，变化趋势也与后者的结果存在明显的不同。因此，从地面等线状建筑结构等效来的典型宽假+单位厚度围岩地下结构的平面简化模型进行分析并不可取。

2、对于采用考虑剪力墙翼缘典型框架+典型框架负载范围厚度围岩简化分析模型的地下建筑结构，其将典型框架作用范围内的竖向荷載以及楼板和剪力墙作为翼缘参与工作纳入了考虑的范围，因此该等效模型有一定的合理性。然而我们需要注意到的是，该等效模型和结构-围岩整体三维模型相比，前者的结构内力要比后者大上很多，并且不能很好地反应后者的趋势。因此，该模型并不是最佳等效二维模型。

3、对于采用等效综合框架-综合剪力墙+结构纵向范围厚度围岩的简化分析模型的地下建筑结构，在不考虑围岩作用时，其结构部分可以看作成为框架-剪力墙结构。从这里可以看出该等效模型的理论合理性，并且等效模型层间位移的变化趋势与结构-围岩整体三维模型相似，位移变化两者之间也存在明显的规律性。考虑到地下建筑结构纵向端部约束作用，采用n =1+ B / L的放大系数对土体进行修正后，可以看出该等效模型的的层间位移与内力和后者的差距都在可接受的范围内。

综上所述，采用等效综合框架-综合剪力墙+结构纵向范围厚度围岩这种简化的二维平面模型是最佳的简化计算方法。

三、结论

通过对地下建筑结构抗震性能的分析可以看出，地下建筑结构由于其自身的特点，在进行抗震设计时要注意的因素也存在独特性。应该充分意识到地下建筑结构的抗震性能，在此基础上在进行地下建筑结构抗震设计时要充分利用关于其在抗震性能分析时得出的结论。就其简化计算方法而言，三维有限元模型并不完善，其简化的等效二维平面模型也同样需要完善。

参考文献

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