水工建筑地下結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)及分析方法概述

□王 磊（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

目前，隨著水利工程大范圍的展開，水工建筑物的結(jié)構(gòu)中地下結(jié)構(gòu)被廣泛用于各個(gè)工程建設(shè)當(dāng)中，并且其規(guī)模有日益擴(kuò)大的趨勢(shì)。但從地質(zhì)構(gòu)造上說，雖然我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，但是基本處于歐亞大陸與印度板塊之間，自古以來就是地震活動(dòng)的多發(fā)區(qū)，處于地震基本烈度為七度或者高于七度的地震區(qū)城市幾乎占我國(guó)城市總量的一半。由此可見，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)對(duì)于城市建筑物以及人員、財(cái)產(chǎn)安全的重要性。

1.地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)

根據(jù)我國(guó)相關(guān)地震資料可知，地震對(duì)地下結(jié)構(gòu)影響極大，即使約7級(jí)地震就有過地下隧洞被地震影響破壞的情況出現(xiàn)。通過分析可知建筑物的地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)在地震影響下所產(chǎn)生的振動(dòng)特性有很多不同之處，主要由以下幾個(gè)方面：

首先在應(yīng)變方面，地下結(jié)構(gòu)在地震影響下其震動(dòng)變形往往受到建筑物地基約束影響較大，自振特性在動(dòng)力反應(yīng)中表現(xiàn)不明顯，應(yīng)變和地基土體的變形有較大聯(lián)系,但是地面建筑物產(chǎn)生的震動(dòng)變形尤其是在低階狀態(tài)下反應(yīng)則十分明顯。

其次，在地震波對(duì)震動(dòng)形態(tài)的影響方面，地震波會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的震動(dòng)形態(tài)產(chǎn)生很大影響，即使地震波入射方向未發(fā)生較大變化，其變形、應(yīng)力等方面也有很大變化,而地上建筑物結(jié)構(gòu)在相同情況下變形、應(yīng)力等方面受到的影響相對(duì)于地下結(jié)構(gòu)則很小。

另外，在地震影響下，地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)往往受到周圍土體相互作用的影響較大，其尺寸、埋深程度都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中點(diǎn)的相位差有較大影響。

所以，盡管在地震波影響下，地下結(jié)構(gòu)和地上建筑物均會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力反應(yīng)，產(chǎn)生變形、位移等情況，但是地下結(jié)構(gòu)的影響變形主要來自地基以及地基周圍土體的運(yùn)動(dòng)特性和相互作用。而地上建筑的影響變化則主要來自結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量、尺寸、強(qiáng)度變化。

2.地下結(jié)構(gòu)抗震基本分析方法

對(duì)于地下結(jié)構(gòu)抗震分析研究一般分為地震觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析等，但是由于地質(zhì)條件的原因，地下結(jié)構(gòu)的形式也是各種各樣。

上述方法各有特點(diǎn)，目前在各自不同的適用場(chǎng)合的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中這些方法都發(fā)揮著良好的作用。地下結(jié)構(gòu)通常都延伸很長(zhǎng)的距離，沿線的地形地質(zhì)條件發(fā)生很復(fù)雜的變化，地下結(jié)構(gòu)的形式也多種多樣，為了考慮這些因素的影響，進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，在上述基本方法的基礎(chǔ)上發(fā)展了許多地下結(jié)構(gòu)抗震分析的實(shí)用方法，主要有BRAT法、反應(yīng)位移法、等效靜力荷載法、福季耶娃法、動(dòng)力有限元法等。

2.1 BART法

BRAT法來源于美國(guó)，1960年美國(guó)在舊金山修建海灣地區(qū)快速運(yùn)輸系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱BART)地下結(jié)構(gòu)時(shí)所采用的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其主要設(shè)計(jì)思路是利用地下結(jié)構(gòu)的影響變形主要來自地基以及地基周圍土體的運(yùn)動(dòng)特性和相互作用的原理，用地基周圍土體的韌性來約束結(jié)構(gòu)變形，而不是單純依靠結(jié)構(gòu)單元體來抵抗結(jié)構(gòu)的變形。通過這種設(shè)計(jì)思路，可以在設(shè)計(jì)中充分利用因地震引起的地層振動(dòng)特性的迅速確定性，從而提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2 反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法是日本學(xué)者在20世紀(jì)70年代提出的。該理論基本原理是以彈性地基梁代替地下線狀結(jié)構(gòu)物進(jìn)行地震模擬計(jì)算，在地震情況下地基位移對(duì)彈性地基梁上的作用以及彈性地基梁響應(yīng)結(jié)果，從而計(jì)算出地下結(jié)構(gòu)相應(yīng)的反應(yīng)，計(jì)算公式：

注：K包括地下結(jié)構(gòu)的剛度K和地基彈性抗力系數(shù)K，為結(jié)構(gòu)所在位置土介質(zhì)的地震變位。

2.3 等效靜力荷載法

等效靜力荷載法的計(jì)算思路是將地下結(jié)構(gòu)因?yàn)榈卣鸺铀俣鹊淖饔枚a(chǎn)生的慣性力作為荷載，并計(jì)算在該荷載的作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生的應(yīng)力變化，從而判定地下結(jié)構(gòu)抗震性能的一種計(jì)算方法。

等效靜力荷載法略微保守，主要用于受慣性力影響較大淺埋結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：Q—結(jié)構(gòu)物的重量；τ—作用于結(jié)構(gòu)的地震加速度；g—重力加速度；K—地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與重力加速度g的比值。

在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算過程中，應(yīng)將在地震條件下計(jì)算對(duì)象自身以及上覆土的慣性力、土壓力、內(nèi)部液體的動(dòng)壓力等因素考慮在計(jì)算范圍之內(nèi)。

2.4 福季耶娃法

該計(jì)算方法由前蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃提出，是一種擬靜力的計(jì)算方法。其基本思路為假設(shè)在結(jié)構(gòu)圍巖介質(zhì)均為線彈性體情況下，由于地震作用而引起圍巖應(yīng)力和襯砌內(nèi)力計(jì)算，為有加固孔口周圍應(yīng)力集中的線彈性理論動(dòng)力學(xué)問題的求解。

無限遠(yuǎn)受到的雙向壓(拉)應(yīng)力：

注:K為地震系數(shù)(與地震烈度有關(guān));T為巖石質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的卓越周期。

在波長(zhǎng)較大的剪切波作用下，介質(zhì)在無限遠(yuǎn)處受到的與對(duì)稱豎軸成角方向的純剪力為：

將上述兩式求解，即可得結(jié)果：在給定的組合情況T下，壓縮波與剪切波以及拉伸波與剪切波共同作用的場(chǎng)地總應(yīng)力及襯砌總內(nèi)力值，再將其重力場(chǎng)疊加，可得結(jié)果。

2.5 動(dòng)力有限元法

該計(jì)算方法雖然思路早在20世紀(jì)40年代就有人提出，可真正在工程設(shè)計(jì)中使用是在計(jì)算機(jī)被大規(guī)模用于工程設(shè)計(jì)后，而將有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）應(yīng)用到地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，將計(jì)算對(duì)象看成有許多有限元組成的結(jié)構(gòu)，充分考慮邊界條件等多方面因素，將地震波輸入后分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算底層與結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)刻變化，進(jìn)而推導(dǎo)該條件下的滿足條件。動(dòng)力有限元法不但可以顯著提高計(jì)算精度，而且可以適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)情況，從而逐步成為主要的抗震分析手段。

隨著有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是動(dòng)力有限元的發(fā)展，使有限元成為抗震分析的有效途徑之一。該方法將包含對(duì)象結(jié)構(gòu)物在內(nèi)的整個(gè)地層劃分成有限元網(wǎng)格，考慮邊界條件以后，輸入地震波，進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，從而得出每一時(shí)刻地層和結(jié)構(gòu)物中的變形、應(yīng)力和應(yīng)變等?？梢赃m用于各種復(fù)雜形狀的連續(xù)體問題，能較好的反映各種復(fù)雜的材料特性，并且隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷完善和計(jì)算機(jī)內(nèi)存及速度的不斷提高，動(dòng)力有限元的應(yīng)用越來越多，逐漸發(fā)展起來。

3.結(jié)論

由于地質(zhì)情況的多變以及地震條件產(chǎn)生的復(fù)雜，地下結(jié)構(gòu)的影響分析限制很多，上述各種分析計(jì)算方法雖然都由研究者通過實(shí)踐分析得來，但是都存在著一定的不足。而就當(dāng)前科技發(fā)展的情況看，地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)仍然是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，我國(guó)周邊國(guó)家的地震所造成的經(jīng)濟(jì)和人員的損失都給我們以重要的啟示，就目前我國(guó)的地下結(jié)構(gòu)尤其是水利工程的抗震設(shè)計(jì)情況來看，存在設(shè)計(jì)規(guī)范較少等情況，所以文章針對(duì)目前水利工程地下結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和分析進(jìn)行簡(jiǎn)單論述和分析，希望能對(duì)此方面的研究提供一定幫助。

[1]福季耶娃著.地震區(qū)地下結(jié)構(gòu)的支護(hù)計(jì)算[M].徐顯毅譯.北京：煤炭出版社，1986.

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[4]林皋.地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述（下）[J].世界地震工程，1998（3）：1～10.

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[6]常虹.地下建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，No1.