地下结构的抗震设计_林皋

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1、第29卷第1期土木工程学报1996年2月地下结构的抗震设计’林皋梁青愧(大连理工大学)[提要】本文分析论述,。了地下结构的抗震特性抗震分析的基本方法较详细地阐述了地下。。结构抗震计算的衍射方法并通过实例说明了地下结构地震反应的特点、一引言、、、。地下结构在能源交通通讯城市建设和国防工程等方面获得广泛应用随着工农业,。,生产的发展和城市化程度的不断提高地下结构的重要性也愈益明显目前地下空间已经作为一种资源进行开发。我国大部分地区为地震设防区,随着地下结构建设规模的扩大,地、。,下结构的抗震设计及其安全评价将成为工程设计人员所十分关心

2、的重要问题例如我国南,,水北调中线穿越黄河工程就位于高烈度地震区内其隧洞洞径超过10m竖井井筒高度接近,,。,60m井筒直径超过2om而且要穿过液化土层无疑这为地下结构的抗震设计提出了新。的课题t‘’,而且历史上发生的多次大地震使地下结构遭受到一定程度的震害这种震害往往不,,。易发现和修复困难因此增加了问题复杂性国内外现有的抗震设计规范关于地下结构的条文一般都十分简略,难以适应地震区地一下结构建设的发展。这就使地下结构抗震设计的研究。成为十分必要、二地下结构地震反应的特点和基本计算方法一。,:地「结构地震反应的特点和地面结构有明显

3、的差别如以入射地震波作为输入结构的,则,地震反应作为输出的话地面结构犹如一个强滤波系统它将输入地震波中与结构频率柑,,合拍的成分加以显著放大因而随着结构刚度和质量分布的变化输出的结构反应的频率成。,分和振动的持续时间都将发生很大的变化即使在入射地震波结束以后结构的衰减自由振·。,,动仍将持续一段时间地下结构则不同它受到周围岩土介质的强约束作用其地震反应的,。,波形和入射地震波形相比基本上木发生什么变化而且只要地下结构的尺寸与地震沈,,长相比还比较小的话(一般情况均如此)它的存在对地震波场的扰动很小其地震反应的。,波形将与自由场所测

4、到的地震波形十分接近图1将这种现象形象化地加以表示实际的观。测资料也证明了〔“’这一点-地下结构地震反应的另一特点是对入射波的作用方向十分敏感。随着输人地震波作用方,。向的改变地下结构的变形和各部位的应力大小均将发生明显的变化。地下结构与地面结构地震反应特点的不同决定了它们分析方法的不同在文献〔3〕中我,一:;,们已经指出地下结构的抗震分析方法基本J可以划分为两大类型一类为波动场方法另.国家教委高校博士点基金资助裸题O口O口O口0000口口口口口!口口口口}图1地下结构和地面结构的地震反应。一类为相互作用分析方法在前一种方法中地下

5、结构与周围岩土介质作为一个整体进行波动;,场和应力场的分析在后一种方法中以地下结构为主体周围岩土介质的影响通过相互作用。,。力的形式表现出来两种方法各有其特点并各适用于一定的条件一般我们感兴趣的主要。,。是地下结构本身的地震反应这样相互作用的分析方法就具有一定的吸弓!力但要确定无。。限地基对地下结构的相互作用影响则是其困难之处本文将主要研究相互作用的分析方法。下’面根据相互作用的原理建立地下结构的基本计算方程以U代表地下结构的绝对地震,,U兮指位移其中U老指地下结构与周围岩土介质相接触的结点自由度位移非接触的结点自。由度位移由图2

6、可有ri;一「右1C,;Cib飞‘U,,;、1rU1M}}飞,KK}bb右古十e、,ebb十兀bl兀bb+suL万l飞了}i亡古了[汽J飞古了::{众(1)、、、;式中〔M〕〔C〕〔K〕相应地表示地下结构的质量阵阻尼阵与刚度阵〔S汽」代表地下结,;构周围岩土介质的动力阻抗矩阵反映无限地基对地下结构振动的约束影响{U若}代表地,,孔洞周边的下结构孔洞周围地震波的散射场位移亦即假设地下结构不存在时自由场位。,。,移〔S汽〕中所含元素一般为复数并且是激励频率的函数为此方程(1)便于在频率。域求解。,,夕”,”,刀;7””甲”吹””伏,”

7、,00000、,,·O愉一叽4‘肠让O0日幼目户于国b不卜一瓜图2地下结构的动力阻抗和地震动输人,,1)地下结构受周围岩土介质的严重约束其本身的振动特性受到抑制方程(中所含,〔今’,结构惯性力项和阻尼项的影响很小一般可以忽略实际的地震观测和模型试验的结果。,也同样证实了这一点于是地下结构的基本方程可简化为尤,i尤,b!U}一Ol丁飞J飞(2)尤b;Kbb+S汽JtU之J〔S汽U含J亦可一般地写为([Kb+‘=〕〔S汽〕){U}[S汽〕{U若}(3)。,方程(2)的求解只需进行拟静力分析这就是说地下结构的受力主要取决于地震波传播。,

8、所产生的地基介质的位移U若散射场位移U若的计算一般比较复杂我们可以按不存在地下。t”,结构及其所形成的孔洞时地基中的自由场位移U否(图2)来加以表示利用关系式=,=+〔S卉」仁U石」〔S汽J{U夸}〔Sblu〕〔S汽〕〔Sbe〕(4)可将(3)式写