□王 磊（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司）

目前，隨著水利工程大范圍的展開，水工建筑物的結構中地下結構被廣泛用于各個工程建設當中，并且其規(guī)模有日益擴大的趨勢。但從地質構造上說，雖然我國國土幅員遼闊，但是基本處于歐亞大陸與印度板塊之間，自古以來就是地震活動的多發(fā)區(qū)，處于地震基本烈度為七度或者高于七度的地震區(qū)城市幾乎占我國城市總量的一半。由此可見，關于地下結構抗震設計對于城市建筑物以及人員、財產安全的重要性。

1.地下結構的地震反應特點

根據(jù)我國相關地震資料可知，地震對地下結構影響極大，即使約7級地震就有過地下隧洞被地震影響破壞的情況出現(xiàn)。通過分析可知建筑物的地下結構和地上結構在地震影響下所產生的振動特性有很多不同之處，主要由以下幾個方面：

首先在應變方面，地下結構在地震影響下其震動變形往往受到建筑物地基約束影響較大，自振特性在動力反應中表現(xiàn)不明顯，應變和地基土體的變形有較大聯(lián)系,但是地面建筑物產生的震動變形尤其是在低階狀態(tài)下反應則十分明顯。

其次，在地震波對震動形態(tài)的影響方面，地震波會對地下結構的震動形態(tài)產生很大影響，即使地震波入射方向未發(fā)生較大變化，其變形、應力等方面也有很大變化,而地上建筑物結構在相同情況下變形、應力等方面受到的影響相對于地下結構則很小。

另外，在地震影響下，地下結構的反應往往受到周圍土體相互作用的影響較大，其尺寸、埋深程度都會對結構中點的相位差有較大影響。

所以，盡管在地震波影響下，地下結構和地上建筑物均會產生較大應力反應，產生變形、位移等情況，但是地下結構的影響變形主要來自地基以及地基周圍土體的運動特性和相互作用。而地上建筑的影響變化則主要來自結構自身的質量、尺寸、強度變化。

2.地下結構抗震基本分析方法

對于地下結構抗震分析研究一般分為地震觀測、實驗研究、理論分析等，但是由于地質條件的原因，地下結構的形式也是各種各樣。

上述方法各有特點，目前在各自不同的適用場合的地下結構設計計算中這些方法都發(fā)揮著良好的作用。地下結構通常都延伸很長的距離，沿線的地形地質條件發(fā)生很復雜的變化，地下結構的形式也多種多樣，為了考慮這些因素的影響，進行地下結構的抗震設計，在上述基本方法的基礎上發(fā)展了許多地下結構抗震分析的實用方法，主要有BRAT法、反應位移法、等效靜力荷載法、福季耶娃法、動力有限元法等。

2.1 BART法

BRAT法來源于美國，1960年美國在舊金山修建海灣地區(qū)快速運輸系統(tǒng)(簡稱BART)地下結構時所采用的抗震設計準則。其主要設計思路是利用地下結構的影響變形主要來自地基以及地基周圍土體的運動特性和相互作用的原理，用地基周圍土體的韌性來約束結構變形，而不是單純依靠結構單元體來抵抗結構的變形。通過這種設計思路，可以在設計中充分利用因地震引起的地層振動特性的迅速確定性，從而提供設計依據(jù)。

2.2 反應位移法

反應位移法是日本學者在20世紀70年代提出的。該理論基本原理是以彈性地基梁代替地下線狀結構物進行地震模擬計算，在地震情況下地基位移對彈性地基梁上的作用以及彈性地基梁響應結果，從而計算出地下結構相應的反應，計算公式：

注：K包括地下結構的剛度K和地基彈性抗力系數(shù)K，為結構所在位置土介質的地震變位。

2.3 等效靜力荷載法

等效靜力荷載法的計算思路是將地下結構因為地震加速度的作用而產生的慣性力作為荷載，并計算在該荷載的作用下結構發(fā)生的應力變化，從而判定地下結構抗震性能的一種計算方法。

等效靜力荷載法略微保守，主要用于受慣性力影響較大淺埋結構計算。計算公式為：

式中：Q—結構物的重量；τ—作用于結構的地震加速度；g—重力加速度；K—地面運動加速度峰值與重力加速度g的比值。

在進行地下結構的計算過程中，應將在地震條件下計算對象自身以及上覆土的慣性力、土壓力、內部液體的動壓力等因素考慮在計算范圍之內。

2.4 福季耶娃法

該計算方法由前蘇聯(lián)學者福季耶娃提出，是一種擬靜力的計算方法。其基本思路為假設在結構圍巖介質均為線彈性體情況下，由于地震作用而引起圍巖應力和襯砌內力計算，為有加固孔口周圍應力集中的線彈性理論動力學問題的求解。

無限遠受到的雙向壓(拉)應力：

注:K為地震系數(shù)(與地震烈度有關);T為巖石質點震動的卓越周期。

在波長較大的剪切波作用下，介質在無限遠處受到的與對稱豎軸成角方向的純剪力為：

將上述兩式求解，即可得結果：在給定的組合情況T下，壓縮波與剪切波以及拉伸波與剪切波共同作用的場地總應力及襯砌總內力值，再將其重力場疊加，可得結果。

2.5 動力有限元法

該計算方法雖然思路早在20世紀40年代就有人提出，可真正在工程設計中使用是在計算機被大規(guī)模用于工程設計后，而將有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）應用到地下結構的抗震設計中，將計算對象看成有許多有限元組成的結構，充分考慮邊界條件等多方面因素，將地震波輸入后分析結構的動力響應，計算底層與結構的變形、應力、應變時刻變化，進而推導該條件下的滿足條件。動力有限元法不但可以顯著提高計算精度，而且可以適應各種復雜地質情況，從而逐步成為主要的抗震分析手段。

隨著有限元計算技術的發(fā)展，尤其是動力有限元的發(fā)展，使有限元成為抗震分析的有效途徑之一。該方法將包含對象結構物在內的整個地層劃分成有限元網(wǎng)格，考慮邊界條件以后，輸入地震波，進行動力響應分析，從而得出每一時刻地層和結構物中的變形、應力和應變等?？梢赃m用于各種復雜形狀的連續(xù)體問題，能較好的反映各種復雜的材料特性，并且隨著數(shù)值計算技術的不斷完善和計算機內存及速度的不斷提高，動力有限元的應用越來越多，逐漸發(fā)展起來。

3.結論

由于地質情況的多變以及地震條件產生的復雜，地下結構的影響分析限制很多，上述各種分析計算方法雖然都由研究者通過實踐分析得來，但是都存在著一定的不足。而就當前科技發(fā)展的情況看，地下結構的抗震設計仍然是設計的難點之一，我國周邊國家的地震所造成的經濟和人員的損失都給我們以重要的啟示，就目前我國的地下結構尤其是水利工程的抗震設計情況來看，存在設計規(guī)范較少等情況，所以文章針對目前水利工程地下結構抗震的設計特點和分析進行簡單論述和分析，希望能對此方面的研究提供一定幫助。

[1]福季耶娃著.地震區(qū)地下結構的支護計算[M].徐顯毅譯.北京：煤炭出版社，1986.

[2]鄭永來，楊林德.地下結構抗震[M]，上海:同濟大學出版社.

[3]林皋.地下結構抗震分析綜述（上）[J].世界地震工程，1998（2）：1～10.

[4]林皋.地下結構抗震分析綜述（下）[J].世界地震工程，1998（3）：1～10.

[5]林皋，梁青槐.地下結構的抗震設計[J].土木工程學報，1996，29（1）：15－24.

[6]常虹.地下建筑結構抗震設計的幾個問題[J].吉林建筑工程學院學報，2005，No1.