地下結構抗震研究方法綜述

(廣州大學 廣東 廣州 510000)

起初，人們認為地下結構和周圍巖土體的整體性較好，抗震性能較好，但是日本阪神大地震改變了人們的看法。震害顯示，地下結構在地震中也會發生破壞，而且與地面結構的破壞特征并不完全相同[1]。之后國內外變展開了對地下結構的抗震研究。迄今為止，地下結構的抗震研究方法基本分為三類：原型觀測、模型實驗和理論分析。

一、原型觀測

原型觀測是通過觀察在實際地震作用下地下結構的反應，以了解地下結構的地震破壞情況，從而揭示其地震響應特征，抗震性能和震害機制。嚴格上來講通過原型觀測得到的震害資料是一個“場”的概念，最能真實反應結構的動力特征，是檢驗理論和數值計算方法正確性的主要手段[2-4]。該方法主要分為：地震觀測和現場震害調查。

(一)地震觀測

地震觀測是指在地震發生前，通過預先在地下結構的關鍵位置安裝傳感器，記錄地震發生時該位置的動力響應；然后綜合分析各個測點的數據進而可以了解整體結構的動力響應。盡管地震觀測可以得到地震發生時結構的真實的地震反應，但是地震發生的偶然性和不確定性較高，因此所得到的地震觀測數據較少。

(二)震害調查

震害調查需要地震結束之后進行，雖然沒有地震觀測得到的資料直接，但是可以間接地還原地下結構的地震動力反應，為揭示其震害機理和抗震性能提供重要的資料。不過，因為地震發生的情況不盡相同，不可能每次地震都能被理想地觀察，因此它受到觀測條件、時間和方法等因素的影響，而且相關數據只能被動的收集，不能對地下結構地震災害現象進行主動性、有目的的比較研究。

二、模型實驗

原型觀測的兩種主要方法都有明顯的缺陷，與原型觀測相比，模型實驗可以在一定程度上彌補上述缺陷。模型實驗的主要原理是，通過對地下結構和周圍土體組成的整體模型進行地震激勵，來研究地下結構的地震響應規律。模型實驗又可以分成三大類：人工震源實驗、離心機實驗和振動臺實驗。

(一)人工震源實驗

人工震源實驗是指人為地制造地震源，從而引起地下結構振動，由此分析地下結構的動力響應特征和破壞規律。例如工業爆破、地下核爆炸造成的振動，還有打樁、爆破、乃至車輛通行，都可成為人工震源。但是，人工震源與真實的地震波在頻譜成分和持續振動時間上有明顯的區別，并且人工震源的強度要低得多，模型的應力應變通常處于彈性范圍，這使得人工震源難以反映地下結構和周圍土體的非線性特征，因此很少被采用。

(二)離心機實驗

離心機實驗的主要原理是通過高速旋轉對模型進行加速，使模型承受成倍的重力加速度，從而增加模型的容重。由于離心機可以控制離心加速度，通過適當地改變離心加速度的大小就可以使模型與原型的應力應變數值相同。離心機實驗的缺陷在于，離心機進行地下結構振動臺實驗時，由于受到臺面大小的限制，只能制作比例尺相對較小的結構模型，實驗結果在很大程度上受到尺寸效應的影響。

(三)振動臺實驗

振動臺實驗既彌補了人工震源的缺點，又具有離心機實驗的優點，同時相對于離心機實驗，振動臺實驗還可以對幾何相似比更大的模型進行模擬實驗。除此之外，振動臺試驗可以在短時間內重復多次模擬進而消除偶然因素的影響，可以研究邊界條件的改變對模型動態響應的影響。它還可以模擬二維和三維的振動情況[5]。因此通過振動臺實驗能夠對地下結構的動力響應進行較為全面的研究，能夠有目的、多角度地研究。

三、理論分析

理論分析可以在投入較少的情況下，對不同問題和不同深度的地下結構進行反復研究，不僅可以大大縮短研究時間，節省成本。而且，理論分析的結果還可以補充原型觀測和模型實驗。目前，地下結構抗震理論分析主要有兩種方法：第波動法和相互作用法。在這兩種方法的基礎之上發展出很多更加方便實用的抗震分析方法。

(一)波動法

波動法假設地下結構的存在對整個場地的波動場不造成影響，基本忽略了土——結構的相互作用，將地下結構所在位置的土體位移波直接加載到結構上，以獲得結構的地震響應。根據不同的假設，波動法可分為ST.John方法，自由場變形方法和其他方法。總的來說波動法的優點在于，其理論假設——介質與結構之間不存在相對位移，將兩者視為一個整體——與實際的觀測較為符合，而且波動方程的求解并不困難。

(二)相互作用法

相互作用法通常是假設土體在地震中不會失去完整性，人為地將結構與周圍介質分離，并利用彈簧和阻尼器來等效模擬周圍地基介質的作用效果，然后再求解結構的地震響應。其求解步驟一般可以分為兩步：先通過數值分析方法求解自由場的地震響應情況(可以忽略結構的存在)；然后分析結構所處位置的地基介質的動力響應，根據其動力反應來求解結構本身的動力反應。

1.反應位移法

該方法的基本思想是：認為在地震破壞中，周圍土層的變形決定著地下結構的反應，故把地下結構周圍的巖土視為地基彈簧，并將地震中巖土體產生的變形等效為靜荷載(結構——土體相互作用的定量表示)，通過該彈簧施加到結構上，最后增加慣性力和剪切應力來分析結構的動力響應。反應位移法假定：①結構和土體都是各向同性線性彈性體;②忽略土體之間的相互影響；③把地震荷載主要分為三部分：土層間的相對位移，結構本身的慣性力和地層的剪力。反應位移法的缺點在于：地震荷載及其施加方式都不容易確定；彈簧系數難以準確確定；忽略了土層之間的相互作用。

2.數值模擬法

數值模擬法把地下結構與周圍巖土介質視為整體，可以充分考慮到地下結構與周圍巖土介質的相互作用，復雜土層的分布和非均質性，結構的不同形式，而且能夠避免地震荷載的施加方式和參數的不確定性。數值模擬法由于其投入少，而且可以對地下結構的不同問題和深度進行反復研究，因此被廣泛應用于地下結構的性能分析。目前主要的數值方法有：離散單元法，邊界單元方法，有限體積法，有限元法，有限差分方法等，其中應用最為廣泛的是動力有限元法。