浅谈地下建筑结构的抗震问题

浅谈地下建筑结构的抗震问题

摘要:地下结构一直被认为具有良好的抗震性能。然而,近年来的地震震害表明,在地震作用下,地下结构同样会出现较为严重的破坏。分析了地下结构不同于地上结构的动态反应特性;归纳分析了地下结构抗震性能的研究手段以及主要的抗震设计方法;总结了提高地下结构抗震性能的措施;并对地下结构抗震性能的研究进行了展望。

关键词:地下结构L;抗震;土—结构共同作用

1.引言

随着全世界人口的增长以及社会经济的发展,地上建筑物、交通设施等已经不能满足人类的使用要求,大力发展地下结构已是大势所趋。近年来,地下结构在能源交通、通讯、城市建设和国防工程等方面得到广泛的应用,它对提高城市综合抗灾能力和缓解城市诸多矛盾方面起到了积极作用。[1]

地震对地面结构所造成的破坏是人所共知的,地面结构的抗震研究也达到实用阶段,各国已制订了各种地面结构物的抗震设计规范。但对地下结构的地震破坏却知之不多,地下结构的抗震研究才刚刚开始,现在还没有地下结构抗震设计的规范。由于长期以来,人们普遍认为地下结构的数量较少,地下结构的抗震性能又优于地面建筑。因此,对地下结构的抗震设计没有充分重视。但是在1995年日本阪神大地震中,各种地下结构和地下设施均遭受到严重的破坏,其中大开站(DAIKAI)和上尺站(KAMISAA)遭到彻底的破坏,造成地铁上方的国道路基大量塌陷,有的塌陷深度达15m,致使日本南部交通瘫痪。[2]历史上其它国家也曾多次发生过地下结构在地震中被破坏的事故,这里不再详述。

面对越来越多的地下结构,有必要对其进行系统全面的研究,以充分认识其抗震性能,并在结构设计中重视抗震设计。

2.地震作用下地下结构动态反应特性

地下结构在地震作用下,由于周围岩土介质的存在,会发生不同于地面结构的响应。地震以地震波的形式传播能量,当地震波从基岩传入场地时,土壤介质在地震波的作用下,会产生运动(通常是放大作用),同时将运动传递给地下结构。对于小断面地下结构,在动力荷载作用下,土—结构相互作用可以忽略,此时地下结构随自由场土介质一起运动,因而动应力较小。而当地下结构存在明显的惯性或者土—结构间的刚度失配时,地下结构会产生过度变形导致破坏。地下结构与周围岩土介质之间动力相互作用对结构体系的影响主要有:[3]①作用在土—结构体系的地震输入运动会发生变化;②由于土的存在结构体系相对较柔,使结构得到的输入相当小;③从结构物向外传播的波能辐射会增加最终动力体系的阻尼,对于近似弹性半空间的土壤场地,这种阻尼的增加很明显,导致动力反应急剧降低。

根据大量的地震仪同测,发现地下结构与地面结构反应特性的差异主要表现为:①地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著,在结构的动力反应中结构的自振特性反映不明显,特别是低阶模态的影响②线性地下结构的振动形态受地震波入射方向的影响较大,入射方向发生不大的变化地下结构各点的变形和应力可以发生很大的变化;③地下结构在振动中各点的相位差别十分明显;④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,对地下结构动力反应起主要作用的因素是地基的运动变形,而不是加速度。

地下结构的破坏有以下主要特征:[4]

(1)地下结构的震害多发生在地层条件有较大变化的区域,如地层由硬质到软质的过渡地带,或由挖土到回填土的过渡地带在这些区域内,由于地质条件或地形的变化,地层振动及位移响应也有较大不同,因而在其中产生大的应变,使地下结构遭受破坏;相反,若某一地区地层较为均匀,即使地震的烈度较大,其中的地下结构也往往会较为安全,这一点不同于地面结构。

(2)在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位也容易发生破坏。因此地下结构与竖井、楼房等的结合部,地下结构断面发生突变处,地下与地面结构的交界处如隧洞的进出口部位,隧洞的转弯部位及两洞相交部位,均为抗震的薄弱环节。

(3)地下结构与断层、软弱带相交的部位等在地震时均易造成破坏。

3.地下结构抗震分析方法

3.1.基本研究方法

地下结构和地面结构动力反应特点的不同,决定了它们抗震分析方法的不同。地下结构抗震问题的研究方法大致分为3种:地震观测、实验研究和理论分析。地震观测就是通过实测地下结构在地震时的动力特性来了解地下结构的地震特点。实验研究分为人工震源实验和振动台实验。人工震源实验为实地研究结构动力特性或求得地基弹簧阻尼特性等,进行现场激振试验。振动台实验法能够较好地把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题,因此更受重视。就理论分析而言,波动理论和有限元分析是地下结构抗震理论分析的两种主要手段。近年来的研究结果表明,研究地层运动对地下结构的影响主要有两种方法:一种是相互作用法,它以求解结构动力方程为基础,把介质的作用等效为弹簧和阻尼,再将它作用于结构,然后如同分析地面结构模型一样进行分析;另一种是波动法,它以求解波动方程为基础,把地下结构视为无限线弹性(或弹塑性)介质中孔洞的加固区,将整个系统(包括介质与结构)作为对象进行分析,不单独研究荷载,以求解其波动场与应力场。[5]

3.2.主要抗震设计方法

目前,地下结构主要有以下几种抗震分析方法:

(1)静力法

把地震作用当作等效静力荷载进行抗震计算。它通常应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计,它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上覆土层作为外力考虑。这种方法的缺陷在于没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互间的关系。

(2)反应位移法

其基本原理就是用弹性地基上的梁来模拟地下线状结构,把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上,以求解在梁上产生的应力和变形,从而计算地下结构(隧洞、管道、竖井等)地震反应,这种方法的理论基础是基于地震时支配地下结构地震反应的是地基变形而不是结构物的惯性力。但是,这种方法把不规则地震波的传播看作为同一周期和同一方向的地震波,从而与实际相去甚远;因此,只适用于线形地下结构的抗震研究,用于大断面地下结构的抗震分析时需要进一步探讨、完善和修改。

(3)动力反应分析法

主要适用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析。它是采用有限元理论,将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应。这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值,而且也可以观察到结构反应的全过程,同时也使结构的弹塑性反应分析成为可能。

4.提高地下结构抗震承载能力的主要措施

根据各国地下结构的震害分析,提高地下结构的抗震承载能力可以从以下几方面入手: (1)将地下结构建于均匀稳定的地基中,远离断层,避免过分*近山坡坡面和不稳定地段,尽量避免饱和砂土地基。

(2)在相同条件下,尽量选取埋深较大的线路,远离风化岩层区.[6]

(3)区间隧道转交处的交角不宜太小,应加强出入口处的抗震性能。

(4)在施工条件允许的条件下,尽量采取暗挖法施工。

(5)在结构中柱和梁或顶板的节点处,应尽量采用弹性节点,避免采用刚性节点。

5.地下结构抗震研究展望