地下结构抗震综述.doc

地下结构工程抗震的研究现状及其分析方法 摘要 随着地下工程的大量兴建和地震自然灾害的频发，地下结构工程的震害问题越来越受到人们的重视。文章根据地下结构工程抗震的研究背景，对国内外在隧道及地下工程抗震减震研究分析方面的成果进行了归纳总结，指出了各自存在的优势及局限性。最后简单阐述了地下结构抗震反应的特点，结构破坏的主要特征及提高结构抗震的措施，并提出了自身对今后该领域研究发展方向的看法与思考。 关键字：地下结构，抗震，现状研究，分析方法 1 研究背景 地震是自然界一种常见的自然灾害。过去，由于地下结构数量和规模的限制，其震害事例较少，加之地下结构受到周围地层的约束，即使发生地震其震害程度也相对较轻。因此人们普遍认为地下结构有较好的抗震能力，在地震作用下不易遭受破坏，故地下结构的抗震研究长期未得到重视。 然而，随着地下空间的开发和地下结构建设规模的不断扩大，地下结构也相继出现了各种震害。1923 年日本关东7. 9 级大地震，震区内116 座铁路隧道，有82 座受到破坏；1952 年美国加州克恩郡7.6 级的地震造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重，1978 年日本伊豆尾岛发生7.0 级地震，震后出现了横贯隧道的断裂，隧道衬砌出现了一系列破坏。特别是1995 年，日本阪神大地震对神户市的地铁线路造成严重破坏，它也是世界范围内大型地下结构遭受最严重破坏的首例。阪神地震给地铁结构造成的严重破坏及由此带来巨大的生命和财产损失，引起了世界各国对地下结构抗震设计和研究的重视。我国地处地震带之间，地震活动频繁。1999 年9 月21 日，我国台湾省台中地区发生了里氏7 . 3 级地震，台中地区57 座山岭隧道有49 座受到不同程度的损坏；200 8 年汶川特大地震中，根据四川省交通厅公路规划勘察设计研究院的调查统计，四川地区共有56 条隧道受到不同程度的损坏，损坏程度如图所示：[1] 图1 地震中公路隧道受损评估统计结果 根据国内外学者大量的研究结果，地下结构震害类型及原因可归纳为以下四类［2-3］: 第一类是由断层所引起，造成地层的错动和位移，致使地下结构遭到严重破坏。第二类是由地震引起的土壤振动，使地层产生位移和地震力，作用在结构上，使结构产生应力和变形。第三类是由结构本身的特性( 如结构强度，材料性质) 导致其在地震力作用下的破坏。最后一类是由地震引起的其他不稳定因素( 砂土液化、软化震陷等) 造成的对地下结构的破坏。 由于对地下结构地震作用机理了解还不深入，通过理论分析和数值计算进行抗震设计尚无成熟方法，因而，依据以往经验采取适当抗震措施，仍是进行地下结构抗震设计的主要手段。相比于地上结构的抗震研究，地下结构的抗震研究仍处于起步阶段，很多研究方法及理论还不是很成熟。 2 地下结构工程抗震分析方法的发展 地下结构工程抗震分析的方法是基于地面建筑结构的抗震理论发展而来的， 20世纪50年代以前， 国内外地下结构的抗震设计大多以日本大森房吉提出的静力理论为基础来计算地下结构的地震作用力。60年代初， 前苏联学者在抗震研究中将弹性理论用于地下结构， 以此求解均匀介质中关于单连通和多连通域中的应力应变状态， 得出了地下结构地震作用的精确解和近似解［4］， 即拟静力法。60年代末， 美国对地下结构抗震问题进行了深入的研究， 他们提出了地下结构并不抵御惯性力， 而要具有吸收强加变形的延性， 同时不散失其承受静荷载能力等新的设计思想， 并提出了相应的抗震设计标准。70年代， 日本学者从地震观测资料着手，通过现场观测、模型试验等手段， 建立了数学模型， 并结合波的多重反射理论， 提出了反应位移法、应变传递法、地基抗力法等实用计算方法， 使地下软基隧道和成层地基的抗震研究获得重大进展。80年代美国在洛杉矶地下铁道的设计中也对地震荷载作了充分的考虑。80年代末90年代初， J．P．Wolf和C．M．Song又提出了递推衍射法［5］。 3 地下结构工程抗震分析方法的研究现状 对地下结构的抗震分析， 就是对土与地下结构相互作用的动力分析。目前地下结构抗震分析的主要研究方法有： 原型观测、模型实验和理论分析。 3.1 原型观测 原型观测是通过地下结构在震后的变形破坏特征和实测的动力特性了解其地震响应特点。主要包括震害调查和地震量测。震害调查是在地震结束后开始的，体现的是最真实的“原型试验”结果，一直受到人们的重视，关于这方面的资料也在不断增加。但是由于受到观测时间、手段和条件的限制，很难对地震过程中的动力响应进行量测。而地震量测可以得到震害调查所无法获知的地下结构在地震时的动力响应过程。日本学者在该方面做了大量的工作，也得到了一些初步认识［6-7］: 如1970 年，日本首先利用松化群发地震，测定了地下管线的动态应变，