第一章---地下結構抗震概論PPT課件

1、第一節(jié) 引言 我國處于世界最活躍的兩大地震帶（環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶）之間，是世界上的多地震國家之一。 圖11為我國地震活動帶分布示意圖 劃分為六個地震活動區(qū)： 臺灣及其附近海域； 喜馬拉雅山脈地震活動區(qū)； 南北地震帶；(西南、西北) 天山地震活動區(qū)； 華北地震活動區(qū)； 東南沿海地震活動區(qū)。 全國除個別省之外，都發(fā)生過6級以上的地震。地震設防區(qū)域(地震基本烈度6度以上地區(qū))的面積占全國國土面積60%以上。地震震源淺，強度大。我國450個城市中，位于地震區(qū)的占74.5%；有一半位于地震基本烈度7度及以上地區(qū)。28個百萬以上人口的特大城市，有85.7%位于地震區(qū)；50-100萬人口的大城市和2

2、050萬人口的中等城市80位于地震區(qū)。 地下結構在國民經(jīng)濟和國防建設中發(fā)揮著重要作用。地下空間的開發(fā)利用是城市現(xiàn)代化建設中的重要發(fā)展方向。 地下結構具有隱蔽性，震害不易發(fā)現(xiàn)，修復困難，破壞后果影響大等特點，其抗震安全性受到廣泛關注。但地下結構抗震設計方法還缺乏比較深入的研究。 以1966年至1976年觀測，我國大陸發(fā)生的八大地震均具有強度大、頻度高、震源淺的特點。從地質構造上看，都是斷裂劇烈活動的地區(qū)。近年來，我國的地震活動較為頻繁，因而，城市抗震防災尤為重要。 世界上多次破壞性地震都集中在城市。例如： 1906年美國舊金山大地震(M8.3) 1923年日本關東大地震(M8.2) 1960年智

3、利南部大地震(M8.5) 1964年美國阿拉斯加大地震(M8.4) 1968年日本十勝沖大地震(M8.0) 1976年中國唐山大地震(M 7.8) 1989年美國洛馬普里埃地震(M7.0) 1994年諾斯雷奇地震(M6.7) 1995年日本阪神大地震(M7.2) 這些城市在地震中均遭到嚴重的、甚至毀滅件的破壞，經(jīng)濟損失慘重。 地震災害不僅是因其巨大的能量造成大量地面構筑物和各種設施的破壞與倒塌，而且也造成諸如地下生命線工程等地下結構和設施的破壞和塌陷，并由此造成次生災害，產生巨大的間接經(jīng)濟損失。 圖1.2為1960年以來大地震所造成的經(jīng)濟損失，反映出年均經(jīng)濟損失每十年幾乎翻一番，個別的地震災害

4、的經(jīng)濟損失更是巨大，如1995年阪神地震，它的總損失達1000億美元。第二節(jié) 地下結構地震反應的特點 在地震作用下，地下結構與地面結構的振動特性有很大的不同。二者作對比如下： (1)地下結構的振動變形受周圍地基土壤的約束作用顯著，結構的動力反應一般不明顯表觀出自振特性的影響。地面結構的動力反應則明顯表現(xiàn)出自振特性，特別是低價模態(tài)的影響。 (2)地下結構的存在對周圍地基地震動的影響一般很小(指地下結構的尺寸相對于地震波長的比例較小的情況)，而地面結構的存在則對該處自由場的地震動發(fā)生較大的擾動。 (3)地下結構的振動形態(tài)受地震波入射方向變化的影響很大。地震波的入射方向發(fā)生不大的變化，地下結構各點的

5、變形和應力可以發(fā)生較大的變化。 地面結構的振動形態(tài)受地震波入射方向的影響相對較小，例如，即使如拱壩這樣的半埋設結構，也只有正對稱和反對稱兩種基本振動形態(tài)，地震波入射方向在某一范國內變化時，主要只發(fā)生正對稱的振動，在另一范圍內變化時，主要只發(fā)生反對稱振動。 (4)地下結構在振動中各點的相位差別十分明顯。地面結構各點在振動中的相位差不很明顯。 (5)一般而言，地下結構在振動中的主要應變與地震加速度大小的聯(lián)系不很明顯，但與周圍巖土介質在地震作用下的應變或變形的關系密切。對地面結構來說，地震加速度則是影響結構動力反應大小的一個重要因素。 (6)地下結構的地震反應隨埋深發(fā)生的變化不很明顯。對地面結構來說

6、，埋深是影響地震反應大小的個重要因素。 (7)對地下結構和地面結構來說，它們與地基的相互作用都對它們的動力反應產生重要影響，但影響的方式和影響的程度則是不相同的。 總的看來，對地面結構和地下結構來說，雖然結構的自振特性與地基振動場對結構動力反應產生重要影響，但對地面結構來說，結構的形狀、質量、剛度的變化，即其自振特性的變化，對結構反應的影響很大，可以引起質的變化；而對地下結構來說，對反應起主要作用的因素是地基的運動特性，一般來說，結構形狀的改變，對反應的影響相對較小，僅產生量的變化。因此，在當前所進行的研究工作中，對地面結構來說，結構自振特性的研究占很大的比重，而對地下結構來說，地基地震動的研

7、究則占比較大的比重。第三節(jié) 地下結構抗震分析方法的分類 地下結構和地面結構動力反應特點的不同，決定了它們抗震分析方法的不同。 地下結構抗震分析方法，早期借鑒地面結構抗震設計的簡化方法靜力法，包括地震系數(shù)法(又稱擬靜力法、慣性力法)和反應位移法。這是一般地下結構抗震設計時所采用的實用方法。而對于埋設于軟弱地層中的重要地下結構(如地下鐵道)，往往進行地震響應動力分析和動力模型試驗分析。 地下結構抗震問題分析方法按類型可分為原型觀測、模型實驗和理論分析三種，而理論分析方法按不同分類標準又可進一步細分。下面將分別予以簡述。一、原型觀測 原型觀測法就是通過實測地下隧道結構在地震時的動力特性來了解其地震響

8、應特點。 嚴格地講，由于地震后土體與結構物的變形是一個場的概念，而模型試驗卻很難模擬這一點，所以原型觀測成為地下隧道結構抗震研究中必不可少的手段之一。 原型觀測主要包括震害調查和現(xiàn)場試驗兩大類。 震害調查往往是在地震結束后才開始進行的，因而受觀測時問、手段和條件等的限制，但是震害是最真實的“原型試驗”的結果，因此一直受到人們的重視。 震害調查很難對地震過程中的動力響應進行量測，也無法控制地震波的輸入機制和邊界條件，更無法主動地改變各種因素，從而對某一現(xiàn)象進行有木目的、多角度的研究。故有時就不得不借助于現(xiàn)場試驗，它可以在一定程度上彌補這一缺陷。二、模型實驗 隨著地下結構抗震穩(wěn)定性問題日益受到關注

9、，土-地下結構相互作用的研究不斷深入，已經(jīng)建立了地下結構地震響應的計算方法。但是不同研究者采用不同的簡化方法，建立了不同的計算方法，取得的結果也各不相同，為了驗證理論計算模型的合理性和分析土-結構動力相互作用的機制，模型試驗開始成為一種不可缺少的試驗技術。 模型試驗一般是通過激震實驗來研究地下結構的響應特性。它可以分為人工震源實驗和振動臺實驗。一般而言，由于前者較難反映結構的非線性性質及地基斷裂等因素對隧道結構地震反應的影響，故用得不多。而振動臺實驗則可以較好地處理這方面的問題，因此被廣泛采用。通過實驗，人們可以更好地掌握地下隧道結構的工作特性，進而為抗震分析的理論發(fā)展奠定基礎。該法在實驗區(qū)域

10、的選擇和地基特性的模擬方面還有待進一步研究。三、理論分析 將理論分析方法按解析法或數(shù)值法的應用程度，大致分為解析法、半解析法半數(shù)值法和數(shù)值法，而這幾種方法里一般又可細分為二至三種方法，見圖13。 將理論分析方法按分析對象的空間考慮情況，大致分為橫斷面抗震計算方法、縱向抗震計算方法和三維有限元整體動力計算法。(一)地震系數(shù)法 又稱為靜力法、慣性力法或擬靜力法。 它假設結構物各個部分與地震動有相同的振動。此時，結構物上只作用著地面運動加速度乘上結構物質量所產生的慣性力，把慣性力視為靜力作用于結構物作抗震計算。地震慣性力的計算公式為 這種方法用于地面結構時，將隨時間變化的地震力用等代的靜地震荷載或靜

11、地層位移代替，然后再用靜力計算模型分析地震荷載。該法計算的結構內力，其量值一般偏大于動力響應分析值。 地下結構中，縱向尺寸遠大于橫向尺寸的線形結構的橫斷面抗震計算、地下儲油罐的抗震設計中，也可用該方法。這時作為地震荷載，不僅要考慮由于結構物自重引起的慣性力，還要考慮上覆土的慣性力影響，地震時的動土壓力，以及內部動水壓力等。 地震時動土壓力的計算中多采用物部岡部公式，該公式中考慮了設計加速度等，但其結果與實際地震中觀測到的動土壓力結果有較大的差別，仍存在一定的問題。另外，對于大深度地下結構，地震加速度在其深度方向的分布往往決定了計算結果，因此地層中的地震加速度的分布如何進行考慮也是一個問題。 在

12、計算剛度特大、變形甚小的地下結構時，地震系數(shù)法至今仍被采用。 (二)反應位移法 反應位移法(Response displace)，在有的文獻里也譯為“響應位移法”、“反應變位法”或“響應變位法”。 該法可分為縱向反應位移法和橫向反應位移法。后者在有的文獻中稱之為地基抗力系數(shù)法。 該方法的基本考慮是，在地震時地下結構的變形受周圍地層變形的控制，地層變形的一部分傳給結構，使結構產生應變、應力和內力。 對于縱向反應位移法，其方法是在求得結構組成所在深度的震動位移的情況下，計算地層沿結構縱軸的最大拉伸應變和最大彎曲應變。用應變傳遞比和來考慮土壤應變傳遞到結構上的遞減，并由此得到結構縱軸的軸向應變和彎曲

13、應變。 對于橫向反應位移法，則是首先求得結構斷面所在深度位置的震動位移(或稱地層位移)情況下，周圍地層對結構變形的約束作用簡化為彈簧，然后將上述水平位移強迫靜態(tài)地作用于地下結構側向彈簧上(考慮周圍地基的彈性約束)；其次，按地震反應分析求得的最大加速度分布確定結構上的水平慣性力載荷和動水壓力(可采用地震系數(shù)法進行計算)；最后，將地震反應分析求得的最大水平剪應力施加于結構的頂部，將水平剪應力與結構上慣性力之和施加于結構底面進行結構本身地震反應計算。進而用靜力法確定結構橫斷面中地震所產生的內力。本方法為日本核電廠耐震設計技術指南所采用，以進行取水建筑埋設或半埋設結構的抗震設計。 (三)圍巖應變傳遞法

14、 地下管道、海底隧道、地下油庫等的地震觀測結果表明，地下結構地震時應變的波形與周圍巖土介質地震應變波形幾乎完全相似。根據(jù)地震波動場分析的基本思想，可以建立地下結構的地震應變關系式0s (四)BART隧道設計法 BART隧道設汁法是美國20世紀60年代未修建舊金山海灣地區(qū)的快速運輸系統(tǒng)(簡稱BART)中所建立的地下結構抗震設計準則。該法假定土體在地震期間不會喪失完整性，且只考慮地震作用下隧道結構的振動效應。其總體的指導思想是在抗震設汁中，給結構提供有效的韌性來吸收土體強加給結構的變形，同時又不喪失其承受靜載的能力，而不是以特定的單元去抵抗其變形。 該法認為，隧道結構應設計成能夠適應地層的彎曲變形

15、，此時結構的最大單元應變應根據(jù)波與結構斜交的情況得出。 (五)等代地震荷載法 這種方法旨在對地鐵車站和區(qū)間隧道襯砌結構的設計，建立用于計算地震響應的等代結構力學方法，并力求將動力問題的計算簡化為等效靜力問題的求解。 該法將地震荷載的作用簡化為施加于結構上的水平向靜力等代地震荷載，重力作用下地基對結構的作用簡化為施加在結構上的約束和荷載。由有限元動力計算模型得出結構的內力后，將其與設計地震荷載作用下的結構的最大合內力響應作對比，并將二者十分接近時的等代地震荷載作為該概率水準下的等代地震荷載。 一般情況下，地下結構設計中應予考慮的內力有彎矩、軸力和剪力等三種。對這三種內力進行分析時，一定概率水準下

16、將有三個不同的等代地震荷載值，由此導致計算過程復雜化。鑒于地下結構設計中截面設計的控制因素通常主要是彎矩，其次才是軸力和剪力，因而可主要根據(jù)彎矩確定等代地震荷載，并以其為基礎對軸力和剪力引入修正系數(shù)，可同時確定等代地震荷載作用下的襯砌結構的動內力彎矩及修正后的軸力和剪力。 與此同時，地鐵車站結構屬于形式復雜的超靜定框架結構，因而即使僅考慮彎矩，也難滿足使在等代地震荷載作用下，車站結構各構件的內力與地震荷載作用下的最大合內力均十分接近。據(jù)研究的計算結果，地鐵車站結構的底板承受的彎矩最大，而中柱是最危險的構件，因而這種方法主要根據(jù)底板和中柱的彎矩確定地鐵車站結構的等代地震荷載，并以其為基礎對其他構

17、件的彎矩和所有構件的軸力和剪力引入修正系數(shù)，從而同時確定等代地震荷載作用下的車站結構的合內力。 (六)波動擬靜力法 這一方法在有的文獻中，也稱為波動解法，對圓的隧道，也稱之為圓形隧道彈性理論接觸問題的準靜態(tài)解。該法由前蘇聯(lián)學者福季耶娃提出。 該法認為，對于波長大于隧道洞徑三倍的P波及S波，只要隧道埋深大于洞徑三倍，長度大于洞徑五倍，就可將地震反應的動力學問題用圍巖在無窮遠處承受一定荷載的彈性力學的平面向題的方法解答。若假定圍巖介質屬線彈性體，則地震作用時引起隧道圍巖的應力及襯砌內力的計算，可歸結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。這也是一種擬靜力方法。 (七)數(shù)值方法 將場地地基土、基礎與結構各個部分看作一個整體一起計算，從面得到結構與土體的動力反應的分析方法，可考慮土體的非均質性和非線性等動力特性。 在考慮地基土的非線性特性的情況下，解析方法難以求解結構與地基在地震動載荷作用下的反應，通常采用數(shù)值法，主要有：有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法及其雜交法等。 有限元方法將整個土-結構體系進行有限元離散化并計算動力反應的分析方法，它可以解決非均質性和非線性問題，但需要引入人工邊界以反映有限計算域外的無限域對計算區(qū)域的作用。 有限差分法同樣可以解決體系的非均質性和非線性問題。該法