地下结构抗震研究现状及展望

孟祥博，李洋洋，赵 朕，单喜垒，崔家玮

（中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北秦皇岛 066000）

0 引言

随着社会的不断发展，大型基础设施的建设在不断的完善，建筑工程的研究领域也在不断发生着变化，在19世纪时，相关方面的研究主要是围绕桥梁建设而展开，等发展到20世纪时，研究范围扩大，并且主要以高层建筑方面的相关研究为主，21世纪迎来了地下空间的世纪，如今，随着我国经济的不断发展，经济实力不断增强，投资建设能力也十分的雄厚，为了进一步助力经济发展，我国目前正在兴修地铁，但有很多地铁修建项目位于高烈度的区域，地震对于地下的空间构造有着极强的破坏性，对人们的生命与财产有着十分现实和紧迫的威胁，必须予以重视。目前对地下结构的抗震研究已经成为当前各界的研究热点。本文通过在收集国内外研究成果的基础上，对地下结构的抗震理论深入探讨，总结实验研究现状、数值模拟分析方法的研究成果并就地下结构抗震的未来发展趋势进行了探讨。

1 原型观测

采用原型观测的方法可以了解地震响应、变形破坏等特征，其主要是通过调查震害以及对地震进行观测来实现。对于地震后的结构动力反应以及破坏情况进行实地的观测[1]。

震害调查最接近于“原型试验”的结果，并且是在地震结束以后进行，所以备受大家关注，与之相关资料不断丰富[2]。相应的地震观测能够了解到地下结构在遭遇地震时会如何变化，但因其地震发生时的难预知性，其研究内容不多。

2 理论分析

随着研究的不断深入，关于抗震方面的研究也日趋丰富。在20世纪50年代早期，日本就有相关学者提出静力法计算作为相关研究的主要方法[3]。到20世纪60年代初，有前苏联学者采用弹性理论进行相关研究，通过分析介质中单连通和多连通区在地震时变化，从而得到地震力的精确解或者近似解[4]。20世纪60年代末，流行使用BART法，这一方法是修建旧金山海湾区的地铁时被提出来的，该理论认为地下结构不是抵御惯性力，而是可以吸收强化变形的延展性，与此同时，它不会失去承受静载荷的能力[5]。到20世纪70年代时，日本有相关学者提出反应位移法、围岩应变传递法、地基抗力系数法，这极大的丰富和发展了抗震研究理论，具有十分重要的现实意义。所谓反应位移法是指，决定地下结构是都抗震的是周围的是岩土介质，而并不是惯性力，在实验过程中采用富有弹性的地基梁，地基的位移是已知的条件，在此基础上测算应力以及变形，对地下结构在地震时的反应做合理的说明。不久，有美国相关的研究人员在弹性地基梁的前提下，采用拟静力方法来进行相应分析，构建地下结构应力模型和弯曲的数学模型，以此来计算地下结构的最大拉伸应变、最大拉应力、最大曲率以及最大弯矩。ST.John法是基于柔比度而形成的一种方法，认为在地震的压力下，隧道的截面所发生的轴向、变曲程度和剪切变形与自由场呈现对应的关系[8]。

3 数值模拟分析

刘晶波[9]等通过采用复响应分析方法分析了平行隧道间距、衬砌厚度和材料性能等因素，结果表明并行隧道距离较小时地震反应会发生较大的变化；在设计抗震的过程中，如果采用反位移法，必须考虑到地基的承受能力；他还认为在地下结构中，将地面与基岩峰值相对位移作为设计地震动的参数会更科学。杨超等[10]围绕软土地铁车站的构造进行相关研究，采用相应的数值模拟方式进行分析，其借助拉格朗日差分法进行分析，试验结果与计算结果基本吻合。杨林德[11]对地铁车站采用数值模拟的方式进行研究，相关数据发现实际后果与数值计算结果较好的吻合，论证了数值模拟的合理性。庄海洋等[12]对大开地铁车站采用数值开展模拟，给出了其在阪神地震中被破坏的演化过程，由于通过这种方式分析所得到的结论可以很好的说明该车站的破坏过程，因而采样这一方法对非线性地震反应进行分析。

李建波等[13]利用非线性时程响应模拟，对软土浅埋地铁车站的地震的特征与破坏原理展开分析，发现结构材料模量的提高对结构应力分布特征变化的影响不大，在地下结构抗震设计中不能单纯的靠增加结构刚度来提高抗震性能，要综合考虑场地、地基-基础接触条件、地震动特性的影响，进行合理的设计。

孙海峰等[14]建立三层三跨地铁车站有限元模型，对在S波作用下各个构件交点处的应力进行分析，发现地震加速度在向上传播过程中先减小后增大，在土层表面达到最大；墙柱与底板和楼板的交界处应力最大，在进行抗震设计时应进行加固处理。何伟等[15]利用土的非线性本构模型对土在循环荷载作用下的动力特性进行分析，结果表明隧道顶部的相对位移随着输入地震动加速度峰值输入增大而增大，但是随着峰值的增加竖向地震动相对位移的影响越来越小；在输入加速度峰值较小时隧道左右两侧和顶板板低处应力比较集中，随着加速度峰值的增大，动应力出现在与隧道竖向对称轴成45°的两侧。

周文涛等[16]根据时程分析法基本原理，应用有限元软件对厦门地铁吕厝站进行分析，结果表明在地震工况作用下，主体结构的相对水平位移峰值较小。蒋录珍等[17]围绕大开地铁车站展开研究，分析了该车站在阪神地震中如何被破坏的，研究结果显示，该车站的主要由于竖向地震作用引发的竖向振动在中柱低端引起混凝土被压碎，导致整个结构被破坏；提出应该加强中柱抗压强度的设计。

4 未来工作展望

当前，随着我国人口不断增加，大量的人口涌入城市，城市土地资源的利用也变得日趋紧张，在这一背景之下，地下空间的开发使用越来越受到人们的重视，因此对于相关方面的研究具有十分重要的现实意义与价值，但是相关方面的研究目前还并没有十分成熟，在许多方面仍应加强研究。因此，笔者认为，在未来的相关研究中，应该注意以下几点：

（1）应加大相关问题的资料的收集力度，在丰富的理论资料的基础之上，对其进行科学的整理与分析，对预估地震的发生和地震观测给出指导，同时加大对地震观测的力度。

（2）目前将理论研究转化为实际的工程应用的技术成果较少，抗震理论在现实中没有得到很好的应用，因此，在以后的设计中，要充分运用相关理论，使其更好的与现实情况相结合，借鉴相关的经验，使得理论能够很好的应用到实践当中去，加强对地下结构的抗震问题的重视。

（3）在相关研究过程中使用数值模拟的方法，虽然可以快速得到计算结果，但是由于软件模型本身的不成熟，在模拟过程中考虑真实情况时，由于研究模型以及参数的选择不太科学，对所得结果的实际应用能力持谨慎的态度。