孟祥博，李洋洋，趙 朕，單喜壘，崔家瑋

（中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)在不斷的完善，建筑工程的研究領(lǐng)域也在不斷發(fā)生著變化，在19世紀(jì)時(shí)，相關(guān)方面的研究主要是圍繞橋梁建設(shè)而展開，等發(fā)展到20世紀(jì)時(shí)，研究范圍擴(kuò)大，并且主要以高層建筑方面的相關(guān)研究為主，21世紀(jì)迎來(lái)了地下空間的世紀(jì)，如今，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，投資建設(shè)能力也十分的雄厚，為了進(jìn)一步助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)目前正在興修地鐵，但有很多地鐵修建項(xiàng)目位于高烈度的區(qū)域，地震對(duì)于地下的空間構(gòu)造有著極強(qiáng)的破壞性，對(duì)人們的生命與財(cái)產(chǎn)有著十分現(xiàn)實(shí)和緊迫的威脅，必須予以重視。目前對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震研究已經(jīng)成為當(dāng)前各界的研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)在收集國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震理論深入探討，總結(jié)實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀、數(shù)值模擬分析方法的研究成果并就地下結(jié)構(gòu)抗震的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1 原型觀測(cè)

采用原型觀測(cè)的方法可以了解地震響應(yīng)、變形破壞等特征，其主要是通過(guò)調(diào)查震害以及對(duì)地震進(jìn)行觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于地震后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)以及破壞情況進(jìn)行實(shí)地的觀測(cè)[1]。

震害調(diào)查最接近于“原型試驗(yàn)”的結(jié)果，并且是在地震結(jié)束以后進(jìn)行，所以備受大家關(guān)注，與之相關(guān)資料不斷豐富[2]。相應(yīng)的地震觀測(cè)能夠了解到地下結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)會(huì)如何變化，但因其地震發(fā)生時(shí)的難預(yù)知性，其研究?jī)?nèi)容不多。

2 理論分析

隨著研究的不斷深入，關(guān)于抗震方面的研究也日趨豐富。在20世紀(jì)50年代早期，日本就有相關(guān)學(xué)者提出靜力法計(jì)算作為相關(guān)研究的主要方法[3]。到20世紀(jì)60年代初，有前蘇聯(lián)學(xué)者采用彈性理論進(jìn)行相關(guān)研究，通過(guò)分析介質(zhì)中單連通和多連通區(qū)在地震時(shí)變化，從而得到地震力的精確解或者近似解[4]。20世紀(jì)60年代末，流行使用BART法，這一方法是修建舊金山海灣區(qū)的地鐵時(shí)被提出來(lái)的，該理論認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)不是抵御慣性力，而是可以吸收強(qiáng)化變形的延展性，與此同時(shí)，它不會(huì)失去承受靜載荷的能力[5]。到20世紀(jì)70年代時(shí)，日本有相關(guān)學(xué)者提出反應(yīng)位移法、圍巖應(yīng)變傳遞法、地基抗力系數(shù)法，這極大的豐富和發(fā)展了抗震研究理論，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。所謂反應(yīng)位移法是指，決定地下結(jié)構(gòu)是都抗震的是周圍的是巖土介質(zhì)，而并不是慣性力，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用富有彈性的地基梁，地基的位移是已知的條件，在此基礎(chǔ)上測(cè)算應(yīng)力以及變形，對(duì)地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的反應(yīng)做合理的說(shuō)明。不久，有美國(guó)相關(guān)的研究人員在彈性地基梁的前提下，采用擬靜力方法來(lái)進(jìn)行相應(yīng)分析，構(gòu)建地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型和彎曲的數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的最大拉伸應(yīng)變、最大拉應(yīng)力、最大曲率以及最大彎矩。ST.John法是基于柔比度而形成的一種方法，認(rèn)為在地震的壓力下，隧道的截面所發(fā)生的軸向、變曲程度和剪切變形與自由場(chǎng)呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的關(guān)系[8]。

3 數(shù)值模擬分析

劉晶波[9]等通過(guò)采用復(fù)響應(yīng)分析方法分析了平行隧道間距、襯砌厚度和材料性能等因素，結(jié)果表明并行隧道距離較小時(shí)地震反應(yīng)會(huì)發(fā)生較大的變化；在設(shè)計(jì)抗震的過(guò)程中，如果采用反位移法，必須考慮到地基的承受能力；他還認(rèn)為在地下結(jié)構(gòu)中，將地面與基巖峰值相對(duì)位移作為設(shè)計(jì)地震動(dòng)的參數(shù)會(huì)更科學(xué)。楊超等[10]圍繞軟土地鐵車站的構(gòu)造進(jìn)行相關(guān)研究，采用相應(yīng)的數(shù)值模擬方式進(jìn)行分析，其借助拉格朗日差分法進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合。楊林德[11]對(duì)地鐵車站采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行研究，相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)際后果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好的吻合，論證了數(shù)值模擬的合理性。莊海洋等[12]對(duì)大開地鐵車站采用數(shù)值開展模擬，給出了其在阪神地震中被破壞的演化過(guò)程，由于通過(guò)這種方式分析所得到的結(jié)論可以很好的說(shuō)明該車站的破壞過(guò)程，因而采樣這一方法對(duì)非線性地震反應(yīng)進(jìn)行分析。

李建波等[13]利用非線性時(shí)程響應(yīng)模擬，對(duì)軟土淺埋地鐵車站的地震的特征與破壞原理展開分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料模量的提高對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征變化的影響不大，在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中不能單純的靠增加結(jié)構(gòu)剛度來(lái)提高抗震性能，要綜合考慮場(chǎng)地、地基-基礎(chǔ)接觸條件、地震動(dòng)特性的影響，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

孫海峰等[14]建立三層三跨地鐵車站有限元模型，對(duì)在S波作用下各個(gè)構(gòu)件交點(diǎn)處的應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地震加速度在向上傳播過(guò)程中先減小后增大，在土層表面達(dá)到最大；墻柱與底板和樓板的交界處應(yīng)力最大，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行加固處理。何偉等[15]利用土的非線性本構(gòu)模型對(duì)土在循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明隧道頂部的相對(duì)位移隨著輸入地震動(dòng)加速度峰值輸入增大而增大，但是隨著峰值的增加豎向地震動(dòng)相對(duì)位移的影響越來(lái)越??；在輸入加速度峰值較小時(shí)隧道左右兩側(cè)和頂板板低處應(yīng)力比較集中，隨著加速度峰值的增大，動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)在與隧道豎向?qū)ΨQ軸成45°的兩側(cè)。

周文濤等[16]根據(jù)時(shí)程分析法基本原理，應(yīng)用有限元軟件對(duì)廈門地鐵呂厝站進(jìn)行分析，結(jié)果表明在地震工況作用下，主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移峰值較小。蔣錄珍等[17]圍繞大開地鐵車站展開研究，分析了該車站在阪神地震中如何被破壞的，研究結(jié)果顯示，該車站的主要由于豎向地震作用引發(fā)的豎向振動(dòng)在中柱低端引起混凝土被壓碎，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)被破壞；提出應(yīng)該加強(qiáng)中柱抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。

4 未來(lái)工作展望

當(dāng)前，隨著我國(guó)人口不斷增加，大量的人口涌入城市，城市土地資源的利用也變得日趨緊張，在這一背景之下，地下空間的開發(fā)使用越來(lái)越受到人們的重視，因此對(duì)于相關(guān)方面的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值，但是相關(guān)方面的研究目前還并沒(méi)有十分成熟，在許多方面仍應(yīng)加強(qiáng)研究。因此，筆者認(rèn)為，在未來(lái)的相關(guān)研究中，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)加大相關(guān)問(wèn)題的資料的收集力度，在豐富的理論資料的基礎(chǔ)之上，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的整理與分析，對(duì)預(yù)估地震的發(fā)生和地震觀測(cè)給出指導(dǎo)，同時(shí)加大對(duì)地震觀測(cè)的力度。

（2）目前將理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程應(yīng)用的技術(shù)成果較少，抗震理論在現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有得到很好的應(yīng)用，因此，在以后的設(shè)計(jì)中，要充分運(yùn)用相關(guān)理論，使其更好的與現(xiàn)實(shí)情況相結(jié)合，借鑒相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，使得理論能夠很好的應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中去，加強(qiáng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題的重視。

（3）在相關(guān)研究過(guò)程中使用數(shù)值模擬的方法，雖然可以快速得到計(jì)算結(jié)果，但是由于軟件模型本身的不成熟，在模擬過(guò)程中考慮真實(shí)情況時(shí)，由于研究模型以及參數(shù)的選擇不太科學(xué)，對(duì)所得結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用能力持謹(jǐn)慎的態(tài)度。