地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法綜述

(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510000)

起初，人們認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)和周?chē)鷰r土體的整體性較好，抗震性能較好，但是日本阪神大地震改變了人們的看法。震害顯示，地下結(jié)構(gòu)在地震中也會(huì)發(fā)生破壞，而且與地面結(jié)構(gòu)的破壞特征并不完全相同[1]。之后國(guó)內(nèi)外變展開(kāi)了對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震研究。迄今為止，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究方法基本分為三類(lèi)：原型觀測(cè)、模型實(shí)驗(yàn)和理論分析。

一、原型觀測(cè)

原型觀測(cè)是通過(guò)觀察在實(shí)際地震作用下地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，以了解地下結(jié)構(gòu)的地震破壞情況，從而揭示其地震響應(yīng)特征，抗震性能和震害機(jī)制。嚴(yán)格上來(lái)講通過(guò)原型觀測(cè)得到的震害資料是一個(gè)“場(chǎng)”的概念，最能真實(shí)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，是檢驗(yàn)理論和數(shù)值計(jì)算方法正確性的主要手段[2-4]。該方法主要分為：地震觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查。

(一)地震觀測(cè)

地震觀測(cè)是指在地震發(fā)生前，通過(guò)預(yù)先在地下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置安裝傳感器，記錄地震發(fā)生時(shí)該位置的動(dòng)力響應(yīng)；然后綜合分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)而可以了解整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。盡管地震觀測(cè)可以得到地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)的真實(shí)的地震反應(yīng)，但是地震發(fā)生的偶然性和不確定性較高，因此所得到的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)較少。

(二)震害調(diào)查

震害調(diào)查需要地震結(jié)束之后進(jìn)行，雖然沒(méi)有地震觀測(cè)得到的資料直接，但是可以間接地還原地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)，為揭示其震害機(jī)理和抗震性能提供重要的資料。不過(guò)，因?yàn)榈卣鸢l(fā)生的情況不盡相同，不可能每次地震都能被理想地觀察，因此它受到觀測(cè)條件、時(shí)間和方法等因素的影響，而且相關(guān)數(shù)據(jù)只能被動(dòng)的收集，不能對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行主動(dòng)性、有目的的比較研究。

二、模型實(shí)驗(yàn)

原型觀測(cè)的兩種主要方法都有明顯的缺陷，與原型觀測(cè)相比，模型實(shí)驗(yàn)可以在一定程度上彌補(bǔ)上述缺陷。模型實(shí)驗(yàn)的主要原理是，通過(guò)對(duì)地下結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w組成的整體模型進(jìn)行地震激勵(lì)，來(lái)研究地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律。模型實(shí)驗(yàn)又可以分成三大類(lèi)：人工震源實(shí)驗(yàn)、離心機(jī)實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)。

(一)人工震源實(shí)驗(yàn)

人工震源實(shí)驗(yàn)是指人為地制造地震源，從而引起地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)，由此分析地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征和破壞規(guī)律。例如工業(yè)爆破、地下核爆炸造成的振動(dòng)，還有打樁、爆破、乃至車(chē)輛通行，都可成為人工震源。但是，人工震源與真實(shí)的地震波在頻譜成分和持續(xù)振動(dòng)時(shí)間上有明顯的區(qū)別，并且人工震源的強(qiáng)度要低得多，模型的應(yīng)力應(yīng)變通常處于彈性范圍，這使得人工震源難以反映地下結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w的非線性特征，因此很少被采用。

(二)離心機(jī)實(shí)驗(yàn)

離心機(jī)實(shí)驗(yàn)的主要原理是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)模型進(jìn)行加速，使模型承受成倍的重力加速度，從而增加模型的容重。由于離心機(jī)可以控制離心加速度，通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖冸x心加速度的大小就可以使模型與原型的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值相同。離心機(jī)實(shí)驗(yàn)的缺陷在于，離心機(jī)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于受到臺(tái)面大小的限制，只能制作比例尺相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在很大程度上受到尺寸效應(yīng)的影響。

(三)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)既彌補(bǔ)了人工震源的缺點(diǎn)，又具有離心機(jī)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)相對(duì)于離心機(jī)實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)還可以對(duì)幾何相似比更大的模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。除此之外，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)多次模擬進(jìn)而消除偶然因素的影響，可以研究邊界條件的改變對(duì)模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。它還可以模擬二維和三維的振動(dòng)情況[5]。因此通過(guò)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Φ叵陆Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行較為全面的研究，能夠有目的、多角度地研究。

三、理論分析

理論分析可以在投入較少的情況下，對(duì)不同問(wèn)題和不同深度的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)研究，不僅可以大大縮短研究時(shí)間，節(jié)省成本。而且，理論分析的結(jié)果還可以補(bǔ)充原型觀測(cè)和模型實(shí)驗(yàn)。目前，地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析主要有兩種方法：第波動(dòng)法和相互作用法。在這兩種方法的基礎(chǔ)之上發(fā)展出很多更加方便實(shí)用的抗震分析方法。

(一)波動(dòng)法

波動(dòng)法假設(shè)地下結(jié)構(gòu)的存在對(duì)整個(gè)場(chǎng)地的波動(dòng)場(chǎng)不造成影響，基本忽略了土——結(jié)構(gòu)的相互作用，將地下結(jié)構(gòu)所在位置的土體位移波直接加載到結(jié)構(gòu)上，以獲得結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。根據(jù)不同的假設(shè)，波動(dòng)法可分為ST.John方法，自由場(chǎng)變形方法和其他方法。總的來(lái)說(shuō)波動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)在于，其理論假設(shè)——介質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間不存在相對(duì)位移，將兩者視為一個(gè)整體——與實(shí)際的觀測(cè)較為符合，而且波動(dòng)方程的求解并不困難。

(二)相互作用法

相互作用法通常是假設(shè)土體在地震中不會(huì)失去完整性，人為地將結(jié)構(gòu)與周?chē)橘|(zhì)分離，并利用彈簧和阻尼器來(lái)等效模擬周?chē)鼗橘|(zhì)的作用效果，然后再求解結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。其求解步驟一般可以分為兩步：先通過(guò)數(shù)值分析方法求解自由場(chǎng)的地震響應(yīng)情況(可以忽略結(jié)構(gòu)的存在)；然后分析結(jié)構(gòu)所處位置的地基介質(zhì)的動(dòng)力響應(yīng)，根據(jù)其動(dòng)力反應(yīng)來(lái)求解結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力反應(yīng)。

1.反應(yīng)位移法

該方法的基本思想是：認(rèn)為在地震破壞中，周?chē)翆拥淖冃螞Q定著地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，故把地下結(jié)構(gòu)周?chē)膸r土視為地基彈簧，并將地震中巖土體產(chǎn)生的變形等效為靜荷載(結(jié)構(gòu)——土體相互作用的定量表示)，通過(guò)該彈簧施加到結(jié)構(gòu)上，最后增加慣性力和剪切應(yīng)力來(lái)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。反應(yīng)位移法假定：①結(jié)構(gòu)和土體都是各向同性線性彈性體;②忽略土體之間的相互影響；③把地震荷載主要分為三部分：土層間的相對(duì)位移，結(jié)構(gòu)本身的慣性力和地層的剪力。反應(yīng)位移法的缺點(diǎn)在于：地震荷載及其施加方式都不容易確定；彈簧系數(shù)難以準(zhǔn)確確定；忽略了土層之間的相互作用。

2.數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法把地下結(jié)構(gòu)與周?chē)鷰r土介質(zhì)視為整體，可以充分考慮到地下結(jié)構(gòu)與周?chē)鷰r土介質(zhì)的相互作用，復(fù)雜土層的分布和非均質(zhì)性，結(jié)構(gòu)的不同形式，而且能夠避免地震荷載的施加方式和參數(shù)的不確定性。數(shù)值模擬法由于其投入少，而且可以對(duì)地下結(jié)構(gòu)的不同問(wèn)題和深度進(jìn)行反復(fù)研究，因此被廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)的性能分析。目前主要的數(shù)值方法有：離散單元法，邊界單元方法，有限體積法，有限元法，有限差分方法等，其中應(yīng)用最為廣泛的是動(dòng)力有限元法。