地下工程结构抗震研究进展

于俊鹏 李秋明

摘要：简要总结了地下工程结构抗震研究进展，建议了今后抗震技术的研究方向。结合有限元理论，考虑多种抗震影响因素，结合有限元软件进行时程分析；将地下工程周围土体对结构作用力简化为弹性抗力，并结合先验公式对有限元分析所得出的数据结果进行拟合，求得公式的参数；对等效侧力法进行改进从而更加现实的反应出土体与结构的相互作用。

关键词：结构抗震；有限元；时程分析；弹性抗力

近年来随着我国建筑行业的不断发展，地上工程已经趋于饱和，地下工程建设迅速增多，尤其是以城市地下空间为主体，地铁、人防、地下停车场等工程迅速增多。完美的设计不仅可以保障建筑的安全性，也可以节省成本，因此地下工程抗震设计具有重大研究意义，已成为国内外各个研究所研究的重要方向之一。

一、地下结构地震影响因素分析

随着数学与计算机技术的发展进步，有限元原理已经成为研究地下结构工程抗震的重要原理方法之一，结合建筑结构特征以及计算机技术建立有限元模型，可以将许多因素融入到地震反应分析中。结合有限元软件模拟结构以及土体并进行时程分析的时候，首先确定分析参数，包括单元类型、积分步长、网格划分、阻尼与地震动输入问题；然后将数值模拟计算结果与理论分析结果进行对比，验证数值模拟方法的科学性；最后基于数值分析方法，对地下结构工程地震反应影响因素进一步加深研究，得出土层刚度、地下结构埋深以及结构材料性质等因素与地下结构地震反应的影响[1]。

当今国际上最先进的两大通用有限元计算分析软件为ABAQUS与ANSYS。二者都具有广泛的模拟特性与强大的计算功能，无论是研究简单的线弹性问题亦或者是复杂的非线性组合难题，无论是简单的静态问题亦或是复杂的动态问题，都能够达到让人满意的效果[2]。ABAQUS可以最真实的反映出土体性状的本构模型，并且有效的进行压孔计算与应力计算，具备处理填土或者开挖等岩土工程特定问题的能力[2-3]。目前，该软件已经大量应用于岩土工程之中，本文结合该软件进行动力时程分析，模拟了地下建筑结构与周围土体在地震力作用下的基本情况。ANSYS不仅能够计算简化模型的地震反应，并且其自身拥有APDL语言，该语言能够快捷的实现参数法分析，从而使得模型的建立更加方便，地下结构工程抗震分析中的拟静力分析采用该软件进行。

采用数值分析方法，讨论了土层刚度、结构埋深与结构材料性质对于地震反应的影响。通过地下结构与地面结构抗震研究的对比得出，周围土体对地下结构的约束程度对地下结构的抗震性能具有较大影响 [4]。因此在地下结构进行抗震设计对模型进行约束简化时不能够简单的在结构底板施加简支约束或者弹簧约束，而是应该考虑到土体与地下结构间的相互作用约束条件。

二、地基弹簧系数研究

图1 周围土体对结构的弹性抗力

在进行地下结构抗震设计时，周围土体对结构产生类似于弹簧的作用的弹性抗力，如图1所示。在进行地下结构抗震设计建模时，一般采用两种模型：其一是连续介质模型，即认为周围土体与地下结构是一个整体，共同受力，主要用于动力有限元时程分析；其二是荷载结构模型，将土体对结构的作用力简化为弹性地基对结构的作用力。结合弹性地基的弹性抗力模拟周围图层对地下结构的作用力。针对荷载结构模型，地基弹性系数取值方法需借鉴地基机床系数取值方法，主要通过现场原位试验与室内试验获取[5]。

为简化地基弹性系数的计算，本研究以有限元分析得到的数据结果为基础，并且结合已存在的机床系数计算公式以及地基弹性系数经验公式，对公式进行数据拟合，从而得出公式的系数。

三、地下结构等效侧力法研究

地下结构抗震研究中有很多简化计算的方法，其中以等效侧力法计算最为简便，应用于各种抗震设计规范中。等效侧力法首先假设结构各个部分振动与地震振动相同，然后将结构上作用的地面加速度乘以结构质量[m]所产生的惯性力，同时考虑地下结构周围土体作用力[6]。地震的主动土压力按照库伦理论计算公式，将墙体一侧土砌体产生的水平地震力作用在其质心处，然后结合静力的平衡原理求解[7]。在计算矩形横断面的结构时，墙后填土水平，假设墙面光滑，侧墙与土体之间不存在摩擦力，此时采用无粘性土朗肯土压力计算公式较为简便[7-8]。

等效侧力法一般仅在模型底边施加弹簧约束，然而在实际情况中周围土体对地下结构产生较大影响，需充分考虑结构与周围土体间的作用力。因此在进行结构抗震设计时，要加入周围土体与地下结构的相互作用约束条件。当结构密度较小的时候，若仅考虑底边的约束，所算得的结构变形会出现不合理的过大变形。所以结构采取四面侧墙以及底边全部施加法向以及切向弹簧约束，从而更加接近实际的反应出土体与结构在地震作用下的相互作用。

四、结束语

由于抗震性能优于地面结构，地下结构的理论设计一直滞后于地面建筑结构，随着高层超高层的不断增多以及地下工程的迅速发展，社会对地下工程结构的抗震要求不断提高。地下工程结构抗震研究进展的总趋势为：结合有限元原理对地震影响因素进行更广泛的分析，研究材料性质、结构埋深、土层刚度等因素在地震時对结构的影响；对等效侧力法进行改进，结合有限元计算得到的数据结果，确定经验公式参数，并将结构简化建立荷载结构模型；所有的科学技术进步都是对现存成熟技术的不断完善提高，因此针对地下工程结构抗震研究还需要不断融合现存成熟的数学理论以及计算机实验模拟技术，站在前辈的肩膀上，一点一滴稳步提高，这就是地下工程结构抗震研究的总趋势。

参考文献：

[1]李彬，刘晶波，刘祥庆.地铁地下结构地震反应影响因素分析[A].中国力学学会结构工程专业委员会，2008：6.

[2]王波.利用ABAQUS分析高强螺栓接触应力[J].四川建筑，2009，02：182+184.

[3]曾哲.考虑空间几何尺寸对位移影响的深基坑数值模拟[D].武汉科技大学，2012.

[4]丁晓敏.基于MIDAS/Gen的地下结构抗震设计分析[J].建筑结构，2010，S2：21-24.

[5]李英民，王璐，刘阳冰，刘立平.地下结构抗震计算地基弹簧系数取值方法研究[J].地震工程与工程振动，2012，01：106-113.

[6]王一白.大跨度桥梁地震响应分析空间变化效应研究[D].大连理工大学，2008.

[7]何丽平.地震区高陡边坡组合支挡结构抗震设计方法研究[D].中南大学，2012.

[8]刘小众，佘宏志.土压力计算的讨论[J].中国新技术新产品，2009，12：74-75.