地下工程震害与地下地震动的位移特征

第29卷第3期Vol.29No.32008

青岛理工大学学报

Journal of Qingdao Technological University

地下工程震害与地下地震动的位移特征

徐龙军1,张相忠2,胡进军3

(1.中国海洋大学工程学院,青岛266100;2.青岛市城市规划设计研究院,青岛266071;

3.中国地震局工程力学研究所,哈尔滨150080)

摘　要:地下工程与地面工程所处的环境不同决定了地震作用对地下结构影响的特殊性,震害经验显示地震动的位移是造成地下结构破坏的主要因素之一.对典型地下工程震害特征进行了总结,结合国外地下地震动台阵记录分析了地震动位移沿深度的分布特点.揭示了地下地震动的一些工程特性,可以为地下工程结构的抗震设计提供参考.

关键词:地下结构;地震动;台阵;位移;抗震设计

中图分类号:P315.9 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2008)03—0016—06

Seismic Dam age of U nderground

E ngineering and Displacement Characteristics of

Sub 2G round Motions

XU Long 2jun 1,ZHAN G Xiang 2zhong 2,HU Jin 2jun 3

(1.College of Engineering ,Ocean University of China ,Qingdao 266100,China ;2.Qingdao Urban Planning and Design Institute ,Qingdao 266071,China ;

3.Institute of Engineering Mechanics ,China Earthquake Administration ,Harbin 150080,China )

Abstract :The difference of t he enviro nment s between embedded and ground st ruct ures deter 2mines t he special effect s of eart hquake ground motion on underground st ruct ures.The eart h 2quake disasters have shown t hat t he displacement of ground motion is one of t he main factors t hat lead to damages of underground st ruct ures.The characteristics of eart hquake damage of typical underground engineering st ruct ures are summarized.The dist ributive characteristics of eart hquake displacement wit h dept h are analyzed based on array records of sub 2ground mo 2tions f rom foreign count ries.This st udy reveals t he engineering characteristics of sub 2ground motions so as to provide reference for t he antiseismic design for embedded st ruct ures.K ey w ords :underground st ruct ure ;ground motion ;array ;displacement ;seismic design

收稿日期:2008—03—12

基金项目:青岛市建设事业科技发展项目(J K07213);中国博士后科学基金项目(20060400826)编辑部约稿

作者简介:徐龙军(19762　

),男,山东菏泽人.博士,讲师,主要从事地震工程研究.E 2mail :xulongjun80@. 随着城市地下空间大规模开发建设和地下结构的日益增多,地下工程的抗震安全性、经济性以及交通规划研究已越来越受到人们的关注[1].由于地下工程埋置或半埋置于土体或岩体之中,其动力特征与地面结构存在明显差别,因此在过去较长时期内被认为具有良好的抗震性能而未予以充分重视.近些年来地震

第3期 徐龙军,等:地下工程震害与地下地震动的位移特征

71震害的积累,尤其是1995年日本阪神地震中地下工程震害的教训,使人们认识到地下工程结构抗震安全的重要性和特殊性.目前城市中大埋深、大跨度、长延展地下工程不断出现,而我国许多大城市如北京、天津、西安、郑州、昆明等处于8度抗震区,甚至面临近断层地震的威胁,在尚没有地下结构抗震设计规范的情况下,合理地考虑地下地震作用、做好新建地下工程的抗震设防和设计、已有地下工程的抗震鉴定都是值得进一步研究的课题.

地下结构抗震研究主要包括地下地震作用、地下结构破坏机理和抗震设计方法几个方面.对结构破坏机理和抗震设计方法的研究又可分为理论[226]、试验和数值计算[7213],这方面的工作已开展较多,但尚不充分[7].有关地下地震作用的研究在国内开展较少[14216],主要原因之一是缺乏相关的强震记录资料.笔者主要通过对典型的地下工程震害特征的总结,强调地震动位移对地下结构破坏的重要影响,进而结合国外的地下地震动台阵记录分析地震动位移沿深度的变化特点,为地下工程抗震设计中有关地震作用的考虑提供参考.

1　地下工程震害与经验教训

地下工程主要分为单纯地下结构、地面结构的地下部分、地下管线、地铁等地下交通道.历史震害资料显示,不同的地下结构类型在地震作用下的破坏现象存在明显差异.这种差异与地震强度、震源距、地震作用方向、地质条件、场地条件、衬砌条件、结构尺寸、埋深、结构与围体的相对刚度、施工情况等都有密切关系.一般来讲,尺寸较小的单体或复体式地下结构的震害较小,整体性好、刚度大的单体和复体式结构的抗震性能高;岩石或坚硬土层围体中的结构抗震性能优于软弱土层中的结构.

由于受到围体的约束作用,地下结构的动力反应并不能表现地上结构自振或强迫振动的特性;地下结构对周围土体的地震特性影响很小;地下结构与周围地基土的相互作用对结构的动力响应产生重要影响;地下结构的主要动力响应一般与地震动加速度的关系不明显,但地基的运动和变形是影响动力响应的主要因素.地下结构的震害形式大多受周围地基相对变形控制,同时与地下结构自身的特点及尺寸等有关.

管道的破坏中,柔性接口的震害率低于刚性接口,原因是前者可以产生较大的变形,具有较好的延性.隧道的主要破坏形式之一是衬砌的剪切位移,在9・21集集地震中,位于断层带上的一座输水隧道就发生了由断层位移造成的错位达4m的剪切破坏.地下管道的破坏随埋深的增加而减小,填土层的管道破坏最多,冲积层次之,软土层中破坏普遍存在,原因可能是软弱场地容易产生较大相对位移,以及软弱场地在地震中容易产生场地破坏,由此加重了地下管道的破坏.但基岩层中的管道破坏比预想的要大.

从地震作用的角度看,地震作用下产生的位移差异和惯性力是结构破坏的主要原因,它们造成的两种破坏类型为:一种是由于围体变位而在地下结构中产生强制变形所引起的破坏,即剪切破坏,多发生在岩性变化较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结构刚度远大于地层刚度的围体中;另一种是结构在惯性力作用下产生的破坏,这种破坏多发生在洞口附近,此时地震惯性力的作用表现比较明显,地下结构洞身遭受地震惯性力破坏的发生概率较低,而处于地层约束较弱的洞口及浅埋地段,破坏发生的概率较高.地下结构还可能受到双重的破坏作用,日本神户大开车站在阪神地震中的破坏就属于这种情况,由于竖向地震作用比较大,车站中部呈A字形向上顶起,随之的反作用力将车站顶板向下压,形成V形沉陷,致使中柱承受不了由此产生的荷载,同时又由于地震时地层产生的水平振动,而车站顶、底板处的位移不一致,遂产生相对位移,使中柱在剪切力和弯距的作用下剪切破坏,综合作用使柱子丧失承载力,发生顶板塌陷.

为了简单说明地下地震动的复杂性,图1给出了加州强震观测计划(CSM IP)中El Cent ro台阵记录到的一次地震在地表、地下-30m和-100m处的位移时程,可以看出,随深度的增加,地震动的位移幅值逐渐减小,但位移时程波形并非相似,也即地震动在从深处向地表传播的过程中,受到场地土的影响其幅值和频谱均发生了变化.若考虑相位差的影响,地震动位移峰值出现的时间也不一致,这就可能造成不同深度处地震动位移差的存在,这也是造成地下结构出现剪切破坏的主要原因.图2给出了不同深度处位移的平面振动曲线,还可以发现,不同方向分量的位移并非按相同的比率减小,而且平面位移形状也不尽相同,这说明不同深度的地震动不仅存在位移差,还可能存在扭转效应.因此,地下结构的抗震设计需要考虑的因素比地表结构要复杂得多.