地下结构地震破坏形式与抗震分析方法综述

地下结构地震破坏形式与抗震分析方法综述摘要：随着人口的在激增以及经济的发展，人们的需求也开始狂飙式的增长。

然而，城市的空间有限，地面空间已经被充分利用，人们的视线开始转为地下，地下结构的开发缓解了城市的地面压力。

然而，由于地下结构的抗震技术的发展还并不成熟，在地震后，往往会造成地下结构的损坏甚至直接丧失继续工作的能力，给人们的财产安全带来威胁，影响人们的正常生活。

因此在此文中对地下结构的震害形式以及近年来地下结构抗震分析的研究成果进行展示。

以加深对地下结构震害的了解，并引起人们对地下结构抗震减震的重视。

关键词：地下结构抗震，震害形式，抗震分析，抗震减震0 引言地震是自然界自然界一种常见的自然灾害，地球上每年约发生500多万次地震，即每天要发生上万次地震。

其中绝大多数太小或太远以至于人们感觉不到。

真正能对人类造成严重危害的地震大约有一二十次，能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。

然而，这种地震不仅仅会给损害人们的财产安全，更有甚者会威胁到生命安全。

以往的抗震研究主要集中在地上建筑。

认为地下结构受到的外界环境较少，各方向约束较多，刚度较大，且高度较小，加之过去地下结构的建设规模相对较少，地下结构受地震作用引起的结构的严重破坏的相关资料也较少，因此地下结构的工程抗震研究及设计长期未得到足够的重视。

1923年日本关东大地震（M8.2），震区内116座铁路隧道，有82座受到破坏；1952 年美国加州克恩郡地震（M7.6），造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重；1976年唐山地震（M7.8），唐山市给水系统完全瘫痪，秦京输油管道发生五处破坏；1978年日本伊豆尾岛地震（M7.0）震后出现了横贯隧道的断裂，隧道衬砌出现了一系列的破坏；特别是1995年日本阪神大地震（M7.2）中，神户市及阪神地区几座城市的供水系统和污水排放系统受到严重破坏，其中神户市供系统完全破坏，并基本丧失功能。

神户市部分地铁车站和区间隧道受到不同程度的破坏，其中大开站最为严重，一半以上的中柱完全倒塌，导致顶板坍塌和上覆土层大量沉降，最大沉降量达2.5m。

地震对地下结构造成大规模破坏的同时，地震对地下结构的安全性构成的威胁也开始引起了人们的重视，地下结构工程抗震从业者在震后获取了大量的地震动作用在地下结构上产生的动力特性及影响结构动力响应的影响因素等宝贵资料，对地下结构工程抗震减震领域的发展具有极大的推动作用。

近年来，关于地下结构的工程抗震分析方法的文献大量涌现。

学者从不同角度对地下结构抗震进行阐述，并且有不少理论转化为工程技术，在工程实践中得到了论证。

笔者试图综合前人的研究成果，在本文中简要介绍地下结构在地震作用下的破坏形式以及地下结构抗震分析方法，以便加深对地下结构工程抗震的了解，也可增加人们对地下结构工程抗震的重视程度。

1 地下结构震害由于所处环境、约束情况等的差异，地下结构的破坏形式与结构破坏的影响因素与地上结构有很多不同之处。

1.1 地下结构震害形式以下以日本阪神地震为主要对象，结合其他地震造成的震害，总结了地铁车站、地下管道、地下隧道的主要震害形式。

1.1.1 地铁震害形式［1］地铁破坏包括地铁站、区间隧道和两者之间的连接部分的破坏，其中地铁车站的破坏最为严重。

(1) 中柱开裂、坍塌，甚至丧失承载力，造成地面不同程度塌陷。

(2) 顶板开裂、坍塌(3) 侧墙开裂1.1.2 地下管道震害形式［2］(1) 管道接口破坏，在三种破坏形式中所占比重最大(2) 管段破坏(3) 管道附件以及管道与其他地下结构连接的破坏1.1.3 地下隧道震害形式［3］（1）隧道内部产生裂缝，混凝土剥落（2）隧道环向施工缝处产生剥落，底板产生隆起或倾斜1.2 地下结构地震反应的特点［4］在地震作用下，地下结构与地上结构的振动特性有很大的不同。

二者作对比如下：（1）地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著，结构动力反应一般不明显表现出自振特性的影响。

地面结构的动力反应则明显表现出自振特性的影响，特别是低阶模态的影响（2）地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般很小。

（指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况）。

地面结构的存在则对该处自由场的地震动发生较大的干扰（3）地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响很大，地震波的入射方向发生不大的变化，地下结构的变形和应力可以发生较大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化。

地面结构的振动形态受地震波的入射方向影响较小（4）地下结构在振动中各点的相位差别十分明显。

地面结构在振动中各点的相位差不很明显（5）一般而言，地下结构在振动中的主要应变与地震加速度大小的联系不很明显，但与周围岩土介质在地震作用下的应变或关系密切。

对地面结构来说，地震加速度则是影响结果动力反应大小的一个重要因素（6）地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显。

对地面结构来说，埋深是影响地震反应大小的一个重要因素（7）对地下结构和地面结构来说，他们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响，但影响的方式和影响的程度则是不相同的总的看来，对地面结构和地下结构来说，虽然结构的自振特性与地基振动场对结构的动力反应产生重要影响，但对地面结构来说，结构的形状、质量、刚度的变化，即其自振特性的变化，对结构反应的影响很大，可以引起质的变化；而对地下结构来说，对反应起主要作用的因素是地基的运动特性，一般来说，结构形状的变化，对反应的影响较小，仅产生量的变化。

因此，在当前所进行的研究工作中，对地面结构来说，结构自振特性的研究占很大的比重，而对地下结构来说，地基地震动的研究则占比较大的比重。

2 地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法是以地上结构的抗震理论为基础发展而来的。

在20世纪50年代之前，国内外地下结构的抗震设计大多都按照日本大森房吉提出的静力学理论来计算地震力。

60年代初，前苏联学者将弹性理论引入地下结构抗震研究，得出地下结构地震作用的精确解和近似解，即拟静力法。

60年代末，美国学者提出地下结构并不抵御惯性力，而应加强地下结构吸收变形的延性，同时保持静荷载承载能力的新思想。

70年代，日本学者从地震观测资料着手，结合原型测试和模型试验，建立了数学模型，并结合波的多重反射理论，提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算方法。

计算机的发展又推动了地下结构抗震分析的数值方法的发展，计算机的强大的计算功能使数值方法得到了实现的可能。

总的来讲，地下结构工程抗震分析方法大致可以分为原型观测、模型试验及理论方法。

其中，理论方法又可以根据其解析法或数值法的运用程度可分为解析法、半解析法、数值方法。

2.1 原型观测原型观测［5］是通过实测地下结构在地震过程中表现出的动力特性，从而了解其地震响应特点。

其通过长期的观测、统计、记录，对各地区的地震烈度进行反复校核，并建立数据库。

再通过对所记录的数据进行分析，深入了解地下结构在地震动作用下结构的动力反应特性，从而达到抗震减震的作用。

原型观测包括震害调查和现场试验两部分，震害是最真实的原型试验的结果，能够真实反映地震动及地下结构破坏的特点，因此一直受到人们的重视，目前震害调查的相关资料正在不断增加。

然而，震害调查往往是在地震结束后才进行的，会受到观测时间、手段及条件等方面的限制，很难量测到地震过程中的动力响应，加之无法控制地震波的输入机制和边界条件，更加无法人为主动地去改变某些因素，从而对某一现象进行全方位、多角度地进行观测。

因此，我们会通过现场试验这一途径在一定程度上弥补震害调查方法的不足。

2.2 模型实验模型实验一般是通过激振实验来研究地下结构的响应特性。

模型试验包括人工震源实验和振动台试验［6-8］，人工震源实验由于起震力较小，很难反映出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，一般不宜采用。

然而振动台试验能很好的解决这一问题，振动台试验根据施加的动力类型的不同，可以分为简谐振动、模拟地震震动和天然振动。

目前，振动台试验总的发展趋势是：多向控制运动（双向、三向或六分量）、大台面（15m*15m；10m*10m）、大推力（100t 模型重量）和强地震动（≧1.0g）。

［9］模型试验需要正确理解动力学原理，否则实验设计的与分析会导致错误的结果甚至得不到结果。

2.3 理论方法理论方法包括解析法、半解析法和数值法。

解析法有地震系数法、反应位移法、围岩应变传递法、BART隧道设计法和等代地震荷载法；半解析法即波动拟静力法；数值方法包括有限元法、有限差分法、离散元发、边界元法以及杂交法。

（1）地震系数法［10］又称静力法、惯性法或拟静力法，该法由日本学者大森房吉首次提出。

假定地下结构的震动与周围围岩介质的震动完全一致。

基于此假定，将地震作用惯性力简化为地面运动加速度与结构质量的乘积，从而将随时间而变化的动力地震荷载转化为静力地震荷载。

地震惯性力如下：CF M K Mgτ==地震加速度需要指出的是，地震系数法算出的结构内力往往偏大与动力响应分析的结果。

（2）反应位移法［11］反应位移法在有的文献中又可以称为响应位移法、反应变位法或响应变位法。

反应位移法包括纵向反应位移法和横向反应位移法。

反应位移法认为地下结构的变形受到周围岩土介质的约束，岩土介质的变形一部分传递给结构，从而由此计算结构内力。

纵向反应位移法先求得结构在某一深度的震动位移，再计算底层沿结构纵轴产生的最大拉应变及最大弯曲应变，利用应变传递比考虑介质应变传递到结构的折减，可以计算出结构纵轴处的轴弹簧上。

其次，按地震反应分析求得的最大加速度分布确定结构上的水平惯性力荷载和动水压力。

最后，将地震反应分析求得的最大水平剪力施加于结构顶部，将水平剪应力与结构上惯性力之和施加于结构底面进行结构向应变和弯曲应变。

横向反应位移法，首先求得结构断面所在深度位置的震动位移（或称地层位移），τCKMg将周围地层对结构的变形的约束作用简化为弹簧，然后将上述水平位移强迫静态的作用于地下结构侧向本身地震反应计算，进而用静力法确定结构横断面中地震所产生的内力。

（3）围岩应变传递法［12］在对地下管道、地下油库以及海底隧道的地震反应长期观测中发现，地下结构的应变波与地层的应变波极其相似。

围岩应变传递法正式基于这一发现发展而成的一种地震反应计算方法。

（4）BART法［13］BART法是美国20世纪60年代末修建旧金山海湾地区快速运输系统建立的地下结构抗震设计准则。

该法提出在地下结构的抗震设计中应该加强结构吸收周围介质强加给结构的变形能力，同时保持结构承受静荷载的能力。

而不是通过某一单元去抵抗外加变形。

（5）等代地震荷载法［3］该法的基本思想是将地震荷载作用简化为水平静力地震荷载，重力作用下的地基作用简化为约束和荷载。