结构抗震与地下结构抗震探析

王晓敏 宋 蕾 宋娇娇

西安科技大学高新学院（710000）

在社会经济不断发展的背景下，人们的生活水平也在不断提高，老旧建筑无论是在功能还是在设计上，已远远不能满足人们的使用需求；其不仅设计标准低，而且对危险的预防能力较弱，如地震、火灾预防等[1]。此外，“老龄化”使得老旧建筑的结构功能逐渐降低，愈发凸显出结构方面的安全问题。 随着国家对建筑抗震性能提出了新的要求，原有建筑需要重新进行抗震鉴定，如不符合抗震要求，就需要对其进行加固改造，以保证建筑结构的安全性。

1 地下结构震害的特点

一般在地下结构中，地下隧道是最常见也是最主要的建筑设施，一旦发生震害，首当其冲被破坏的就是地下隧道。 根据现有的研究，地下结构通常在震害中有以下几种破坏形式：

1）多发生于洞口岩体不稳定、风化程度较高地方的洞口边坡垮塌破坏[2]。 由于洞口岩体多为破碎状态，岩体自稳能力不高，而一旦发生地震，洞口处的地震作用又较强，因此洞口破坏是地下结构震害最常见的形式。

2）洞门裂损。常见的有端墙松脱、拱圈开裂、翼墙开裂等现象。

3）多发于震中附近的围岩坍塌或衬砌坍塌。此类破坏形式多发于软弱围岩；若发生地震，不是围岩、衬砌一起坍塌，就是衬砌发生坍塌。

4）衬砌开裂。 在地下结构震害中，这种破坏形式是最常见的。 衬砌开裂也有多种形式，如纵向或多方向开裂、底板开裂、环向开裂等。

5）衬砌错位破坏。一般这种震害多发生于修建在断层破碎带上的地下结构中； 受地震剪力作用，地下结构在其两个横截面上发生位移， 若位移过大，就会发生此类破坏[3]。

2 地下结构震害的影响因素

通常来说，有很多因素都会对地下结构的地震反应造成影响，如地下结构本身的特点、岩土性质等等，但主要是以下三个方面的因素。

2.1 入射地震动特性

入射地震动特性通常指的是地震在发生时的各种数值变化，包括震幅、频谱、震级、震距、震波波长、震波入射方向等。 一般地震的动峰值加速度（PGA）以及峰值速度（PPV）会影响地下洞室的破坏程度，PGA 的大小直接决定地下洞室震害反应的强烈程度，PGA 越大，震害可能会愈加严重；而PPV 对地下洞室造成的震害反应远远大于PGA 带来的震害反应。 此外， 地下结构的震害反应也会显著受到震波入射方向的影响，入射方向不同，应力和位移方向就会产生差异[4]。

2.2 地质环境

地质环境因素通常指的是地下结构所在位置的地质因素，一般有地层岩性、构造、地应力等。对比修建于土体中和修建于岩体中的地下结构，后者的抗震性能明显更强，但是可以通过加固地下岩土体的方式来提高土体地下结构的抗震性能。 若地下结构周围的地质环境不良，比如存在断层等不良地质构造，在发生地震时，则会更容易受到破坏；同时，高地应力也是降低地下结构震中稳定性的因素之一。

2.3 地下结构自身的特性

在地下结构震害影响因素中， 地下结构自身的特性是一个很大的影响因素，如其形状、形式、接触围岩形式等。 地下结构形状不同， 其地震反应也不同；通常最容易受到破坏的就是地下结构的断面、刚度变化等位置[5]。 另一方面，在地震作用下，地下结构的动力特性直接由其自身的特性决定， 如地下结构的形状、形式、接触围岩形式等。

3 地下结构抗震性能分析方法

以地下结构中的主要建筑——地下隧道为例，目前主要有以下三种抗震性能分析方法。

3.1 响应位移法

早在上世纪就有学者在地震观测中发现，在地震中，场地位移是支配地下结构地震相应的主要因素，无论是结构本身的惯性力，还是结构本身的阻尼效应，都不会对计算结果造成太大影响。 基于此，学者们提出了用于抗震设计的响应位移法，此抗震设计方法的主要原理就是用弹性地基梁取代地下线状结构物，求出地震时弹性地基梁的位移，就能够计算出结构的地震反应。

3.2 BART 法

BART 法最早起源于美国， 是在地下快速运输系统设计实践中建立起来的抗震设计准则，因其具有能适用于不同地下结构类型和多种地形条件等优势而受到广泛使用[6]。 但此类方法在抗震设计中只会考虑隧道结构在地震中的振动效果，不会考虑土地结构在地震过程中对隧道产生的影响。 此外，该种抗震设计方法主要是为了确保地下结构在地震过程中能够承担抗压能力， 不会轻易产生变形。通常在设计地下结构时，都必须将地层变化作为考虑因素之一，而BART 法则能提供关于地层的有效振动数据，便于设计者设计地下抗震结构。

3.3 围岩应力传递法

围岩应力传递法来源于日本，是一种根据地震中的测量数据提出的地震响应分析方法，主要应用于分析隧道结构、无洞穴岩地的地震响应方面。

4 研究地下结构抗震性能的步骤

地下隧道结构抗震性能研究主要有以下步骤。

4.1 原型观测

原型观测即是指在模拟地下结构振动时，对其振动特点进行观察。 但是在实际工作中，通常振动模拟试验提供的数据不是很完整，无法让观察人员掌握全部数据，因此，该方法只是对地下结构抗震性能进行检测的必要手段之一。 震害调查是原型观测的主要内容之一， 这种观测方法受限因素较多，如观测时间、 条件等都会影响震害调查的结果，因此这种调查方法需要在地震结束后进行。 但另一方面，这种调查方法的数据往往更具有真实性，受到的重视度也更高。

4.2 试验研究

振动模拟试验有人工试验法和振动台试验法。人工试验方法具有一定难度，不仅很难反映地下线性结构，还很容易受外界因素影响，如出现地基断裂等，就会影响隧道结构的抗震性能，因此应用较少；振动台试验方法不仅操作简单，还有利于人们对地下结构特性进行观察、了解，在一定程度上，能指导人们分析和检验抗震原理，应用较为广泛。

4.3 理论分析

在上述两种研究地下结构抗震性能的步骤中，无论是原型观测还是试验研究，都不可避免地需要付出一定代价，因此也不能忽视理论研究。 波动解法和相互作用法是研究地下结构抗震性能常用的两种方法。

波动解法可以利用波动求解方程式进行计算，结合地下结构，可以得出结构响应。 通常这种估算结构响应的方法常用于设计初期；结构与土体之间的刚度差异越小，越会得出精确程度较高的求解结果。 但是波动解法也有一定的局限性，比如求解时需要简化问题，这就导致求解结果与实际情况存在较大的差异性。

相互作用法主要以结构为主体，通过周围土地介质中的相互作用力求振动响应，这种求解方法的实用性较高。 通常这种解法的主要目的是解决发生地震时地下结构因土地变化而带来的响应问题。

5 结语

由于目前城市发展导致土地资源越来越紧缺，发展地下工程越来越具有重要意义，而在地下工程建设中， 最重要的就是有效避免地震带来的损失，因此结构抗震成为地下结构研究的重要方向。 在考虑到地层环境存在多样性的基础上，设计师在设计地下结构时，需要详细采集相关数据，研究抗震原理，以便设计出具有优秀抗震性能的地下结构。