地下结构抗震研究方法综述

(广州大学 广东 广州 510000)

起初，人们认为地下结构和周围岩土体的整体性较好，抗震性能较好，但是日本阪神大地震改变了人们的看法。震害显示，地下结构在地震中也会发生破坏，而且与地面结构的破坏特征并不完全相同[1]。之后国内外变展开了对地下结构的抗震研究。迄今为止，地下结构的抗震研究方法基本分为三类：原型观测、模型实验和理论分析。

一、原型观测

原型观测是通过观察在实际地震作用下地下结构的反应，以了解地下结构的地震破坏情况，从而揭示其地震响应特征，抗震性能和震害机制。严格上来讲通过原型观测得到的震害资料是一个“场”的概念，最能真实反应结构的动力特征，是检验理论和数值计算方法正确性的主要手段[2-4]。该方法主要分为：地震观测和现场震害调查。

(一)地震观测

地震观测是指在地震发生前，通过预先在地下结构的关键位置安装传感器，记录地震发生时该位置的动力响应；然后综合分析各个测点的数据进而可以了解整体结构的动力响应。尽管地震观测可以得到地震发生时结构的真实的地震反应，但是地震发生的偶然性和不确定性较高，因此所得到的地震观测数据较少。

(二)震害调查

震害调查需要地震结束之后进行，虽然没有地震观测得到的资料直接，但是可以间接地还原地下结构的地震动力反应，为揭示其震害机理和抗震性能提供重要的资料。不过，因为地震发生的情况不尽相同，不可能每次地震都能被理想地观察，因此它受到观测条件、时间和方法等因素的影响，而且相关数据只能被动的收集，不能对地下结构地震灾害现象进行主动性、有目的的比较研究。

二、模型实验

原型观测的两种主要方法都有明显的缺陷，与原型观测相比，模型实验可以在一定程度上弥补上述缺陷。模型实验的主要原理是，通过对地下结构和周围土体组成的整体模型进行地震激励，来研究地下结构的地震响应规律。模型实验又可以分成三大类：人工震源实验、离心机实验和振动台实验。

(一)人工震源实验

人工震源实验是指人为地制造地震源，从而引起地下结构振动，由此分析地下结构的动力响应特征和破坏规律。例如工业爆破、地下核爆炸造成的振动，还有打桩、爆破、乃至车辆通行，都可成为人工震源。但是，人工震源与真实的地震波在频谱成分和持续振动时间上有明显的区别，并且人工震源的强度要低得多，模型的应力应变通常处于弹性范围，这使得人工震源难以反映地下结构和周围土体的非线性特征，因此很少被采用。

(二)离心机实验

离心机实验的主要原理是通过高速旋转对模型进行加速，使模型承受成倍的重力加速度，从而增加模型的容重。由于离心机可以控制离心加速度，通过适当地改变离心加速度的大小就可以使模型与原型的应力应变数值相同。离心机实验的缺陷在于，离心机进行地下结构振动台实验时，由于受到台面大小的限制，只能制作比例尺相对较小的结构模型，实验结果在很大程度上受到尺寸效应的影响。

(三)振动台实验

振动台实验既弥补了人工震源的缺点，又具有离心机实验的优点，同时相对于离心机实验，振动台实验还可以对几何相似比更大的模型进行模拟实验。除此之外，振动台试验可以在短时间内重复多次模拟进而消除偶然因素的影响，可以研究边界条件的改变对模型动态响应的影响。它还可以模拟二维和三维的振动情况[5]。因此通过振动台实验能够对地下结构的动力响应进行较为全面的研究，能够有目的、多角度地研究。

三、理论分析

理论分析可以在投入较少的情况下，对不同问题和不同深度的地下结构进行反复研究，不仅可以大大缩短研究时间，节省成本。而且，理论分析的结果还可以补充原型观测和模型实验。目前，地下结构抗震理论分析主要有两种方法：第波动法和相互作用法。在这两种方法的基础之上发展出很多更加方便实用的抗震分析方法。

(一)波动法

波动法假设地下结构的存在对整个场地的波动场不造成影响，基本忽略了土——结构的相互作用，将地下结构所在位置的土体位移波直接加载到结构上，以获得结构的地震响应。根据不同的假设，波动法可分为ST.John方法，自由场变形方法和其他方法。总的来说波动法的优点在于，其理论假设——介质与结构之间不存在相对位移，将两者视为一个整体——与实际的观测较为符合，而且波动方程的求解并不困难。

(二)相互作用法

相互作用法通常是假设土体在地震中不会失去完整性，人为地将结构与周围介质分离，并利用弹簧和阻尼器来等效模拟周围地基介质的作用效果，然后再求解结构的地震响应。其求解步骤一般可以分为两步：先通过数值分析方法求解自由场的地震响应情况(可以忽略结构的存在)；然后分析结构所处位置的地基介质的动力响应，根据其动力反应来求解结构本身的动力反应。

1.反应位移法

该方法的基本思想是：认为在地震破坏中，周围土层的变形决定着地下结构的反应，故把地下结构周围的岩土视为地基弹簧，并将地震中岩土体产生的变形等效为静荷载(结构——土体相互作用的定量表示)，通过该弹簧施加到结构上，最后增加惯性力和剪切应力来分析结构的动力响应。反应位移法假定：①结构和土体都是各向同性线性弹性体;②忽略土体之间的相互影响；③把地震荷载主要分为三部分：土层间的相对位移，结构本身的惯性力和地层的剪力。反应位移法的缺点在于：地震荷载及其施加方式都不容易确定；弹簧系数难以准确确定；忽略了土层之间的相互作用。

2.数值模拟法

数值模拟法把地下结构与周围岩土介质视为整体，可以充分考虑到地下结构与周围岩土介质的相互作用，复杂土层的分布和非均质性，结构的不同形式，而且能够避免地震荷载的施加方式和参数的不确定性。数值模拟法由于其投入少，而且可以对地下结构的不同问题和深度进行反复研究，因此被广泛应用于地下结构的性能分析。目前主要的数值方法有：离散单元法，边界单元方法，有限体积法，有限元法，有限差分方法等，其中应用最为广泛的是动力有限元法。