震动特性和震害分析

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1、震动特性和震害分析地下结构振动特性和震害分析一引言随着社会经济的发展，地下结构在输水、油、气（汽）、煤、排水、交通、水利、矿山以及防护工程中得到广泛的应用。因其震害明显较地面结构轻，地下结构一般被认为是抗震性能较好的结构。然而在历次地震中，仍有一些地下结构,特别是地下线形结构遭到破坏,如1948年的阿什哈巴德地震、1966年的塔什干地震、1976年的唐山地震和加兹里地震、1985年的墨西哥地震及1995年的阪神地震等。地下结构的震害形式大多受周围地基相对变形控制,同时也与地下结构自身的特点及尺寸等有关。本文拟对地下结构震害形式作综述，着重对三种地下

2、线形结构——地下管道、地铁和地下隧道的震害形式、原因作分析,并对地下结构抗震对策作简要讨论。二地下结构抗震研究详细地研究地震对地下结构的振动作用，可采用两种方法:地震动力响应分析和动力模型试验，通过这些分析和试验可以弄清楚隧道横、纵断面应力的响应，动土压力和各种接头的抗震性。但此时必须要详细掌握隧址处地层的动力特性参数，如地层的动弹性模量、阻尼系数、动强度等以及地震时地层运动信息，如地震加速度等。同时还耍求有容量足够的计算机和较长的计算时间。故只有那些埋设于松软地层中的重要的地下结构物才有必要和可能来进行地震响应分析和动力模型试验。在我国现阶段，对

3、于一般的地下结构物的抗震设计大都采用实用的方法。即静力法或拟静力法。即在衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性检算屮采用地震系数法或称惯性力法;检算衬砌结构沿纵轴方向的应力和变形则采用地层位移法，此法系以地基变形为输入的，不考虑衰减系数的静力解，故又称为拟静力法。静力法或拟静力法就是将随时间变化的地震力或地层位移用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后再用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力。实用方法中都采用了许多假定和简化，通过对地下结构的地震观测，得岀如下结论：(1)地下结构(隧洞，管道等)中没有发现共振响应。(2)隧洞、管道(

4、地下埋设结构，下同)等的地震波形和周围土介质中的地震波形基本相符，支护中地震加速度近似等于或略小于介质中的地震加速度。(3)隧洞、管道中的轴向应变一般比弯曲应变更起控制作用，而周向应变则大于轴向应变。地震波的短周期分量一般不产生较大的应变，主要的应变分量为长周期应变，由长周期波产生。(4)隧洞断面在地震中的变形，在地表层的卓越周期范围内，可以认为是由剪切波垂直向上传播所造成的，也可由表面波沿地表传播而形成。(5)隧洞等地下结构中的柔性接头或较接等在距接头一定范围内有减缓隧洞应变的作用。(6)根据沿隧洞轴向测点的观测结果表明，隧洞的拉、压变形沿轴向是

5、比较均匀的，但各点的弯曲应变则相差较大，可以认为，周围地层变化对弯曲变形产牛的影响较轴向拉压变形的影响大得多。三地下结构振动特性3.1地下结构动力分析方法简介研究结构动力分析方法可概括为理论方法、原型测量和室内实验三类。其中室内实验主要是对地基土的物理力学性质的测定，以确定理论分析模型的参数。由于对无限地基辐射阻尼模拟的困难，模型试验方法并未得到显著的发展。原型测量包括激振试验和强震观测两个方面，近年來得到了一定的发展，但在验证地下结构动力分析问题的理论模型方面的研究成果还不多。在理论方法中按求解方法分，主要有解析法、数值法以及数值一解析结合法等•

6、由于解析法要求简单规则的边界条件及均匀(或简单层状)的介质特性，与工程实际相比，有一定的局限性，这样就使数值法和数值一解析结合法成为更加广泛应用的手段。在进行结构动力分析时，可以采用解析方法、数值方法或它们的组合方法。对于一些简单的介质条件、载荷条件和结构条件，例如均匀弹性半平面或半空间上受简谐荷载作用的形刚性基础板的振动，存在有解析解，但是在大多数情况下，例如复杂介质条件下的基础或地基振动，则往往需要借助于数值方法来求解；对场地响应问题，则只对简单的地形和介质条件（半圆形或椭圆形山谷SH波入射）才具有解析解，而绝大多数实际的工程问题都必须借助于数

7、值解。地下结构动力分析问题的另一个重要特点是他们与无限域的辐射阻尼有关，而且无限域的地基动力刚度是激振频率的复杂函数，因此，地下结构动力分析问题的求解在频域内进行具有一定的优越性。但是，众所周知，频域方法只适用于线弹性或粘弹性系统而不适用于非线性或弹塑性系统。因此,对于具有非线性特性的土壤地基来说，解决地下结构动力分析问题只能借助于整体时域方法，或采用等效线性方法。对于地基为线弹性，结构为非线弹性，也可以采用集中参数法。用来分析结构动力分析问题的数值方法包括有限元法、边界元法、有限差分法、有限条法、离散元法等等。其中有限元法是大家最熟悉的数值计算方

8、法之一，其优点是数学过程简单、物理概念清楚、计算程序编制具有有序性和一致性以及很好的适用性和高度的灵活性，并由于计算机技术