震動特性和震害分析

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1、震動特性和震害分析地下結(jié)構(gòu)振動特性和震害分析一引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)在輸水、油、氣（汽）、煤、排水、交通、水利、礦山以及防護(hù)工程中得到廣泛的應(yīng)用。因其震害明顯較地面結(jié)構(gòu)輕，地下結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為是抗震性能較好的結(jié)構(gòu)。然而在歷次地震中，仍有一些地下結(jié)構(gòu),特別是地下線形結(jié)構(gòu)遭到破壞,如1948年的阿什哈巴德地震、1966年的塔什干地震、1976年的唐山地震和加茲里地震、1985年的墨西哥地震及1995年的阪神地震等。地下結(jié)構(gòu)的震害形式大多受周圍地基相對變形控制,同時也與地下結(jié)構(gòu)自身的特點及尺寸等有關(guān)。本文擬對地下結(jié)構(gòu)震害形式作綜述，著重對三種地下

2、線形結(jié)構(gòu)——地下管道、地鐵和地下隧道的震害形式、原因作分析,并對地下結(jié)構(gòu)抗震對策作簡要討論。二地下結(jié)構(gòu)抗震研究詳細(xì)地研究地震對地下結(jié)構(gòu)的振動作用，可采用兩種方法:地震動力響應(yīng)分析和動力模型試驗，通過這些分析和試驗可以弄清楚隧道橫、縱斷面應(yīng)力的響應(yīng)，動土壓力和各種接頭的抗震性。但此時必須要詳細(xì)掌握隧址處地層的動力特性參數(shù)，如地層的動彈性模量、阻尼系數(shù)、動強(qiáng)度等以及地震時地層運動信息，如地震加速度等。同時還耍求有容量足夠的計算機(jī)和較長的計算時間。故只有那些埋設(shè)于松軟地層中的重要的地下結(jié)構(gòu)物才有必要和可能來進(jìn)行地震響應(yīng)分析和動力模型試驗。在我國現(xiàn)階段，對

3、于一般的地下結(jié)構(gòu)物的抗震設(shè)計大都采用實用的方法。即靜力法或擬靜力法。即在襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的抗震設(shè)計和抗震穩(wěn)定性檢算屮采用地震系數(shù)法或稱慣性力法;檢算襯砌結(jié)構(gòu)沿縱軸方向的應(yīng)力和變形則采用地層位移法，此法系以地基變形為輸入的，不考慮衰減系數(shù)的靜力解，故又稱為擬靜力法。靜力法或擬靜力法就是將隨時間變化的地震力或地層位移用等代的靜地震荷載或靜地層位移代替，然后再用靜力計算模型分析地震荷載或強(qiáng)迫地層位移作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。實用方法中都采用了許多假定和簡化，通過對地下結(jié)構(gòu)的地震觀測，得岀如下結(jié)論：(1)地下結(jié)構(gòu)(隧洞，管道等)中沒有發(fā)現(xiàn)共振響應(yīng)。(2)隧洞、管道(

4、地下埋設(shè)結(jié)構(gòu)，下同)等的地震波形和周圍土介質(zhì)中的地震波形基本相符，支護(hù)中地震加速度近似等于或略小于介質(zhì)中的地震加速度。(3)隧洞、管道中的軸向應(yīng)變一般比彎曲應(yīng)變更起控制作用，而周向應(yīng)變則大于軸向應(yīng)變。地震波的短周期分量一般不產(chǎn)生較大的應(yīng)變，主要的應(yīng)變分量為長周期應(yīng)變，由長周期波產(chǎn)生。(4)隧洞斷面在地震中的變形，在地表層的卓越周期范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是由剪切波垂直向上傳播所造成的，也可由表面波沿地表傳播而形成。(5)隧洞等地下結(jié)構(gòu)中的柔性接頭或較接等在距接頭一定范圍內(nèi)有減緩隧洞應(yīng)變的作用。(6)根據(jù)沿隧洞軸向測點的觀測結(jié)果表明，隧洞的拉、壓變形沿軸向是

5、比較均勻的，但各點的彎曲應(yīng)變則相差較大，可以認(rèn)為，周圍地層變化對彎曲變形產(chǎn)牛的影響較軸向拉壓變形的影響大得多。三地下結(jié)構(gòu)振動特性3.1地下結(jié)構(gòu)動力分析方法簡介研究結(jié)構(gòu)動力分析方法可概括為理論方法、原型測量和室內(nèi)實驗三類。其中室內(nèi)實驗主要是對地基土的物理力學(xué)性質(zhì)的測定，以確定理論分析模型的參數(shù)。由于對無限地基輻射阻尼模擬的困難，模型試驗方法并未得到顯著的發(fā)展。原型測量包括激振試驗和強(qiáng)震觀測兩個方面，近年來得到了一定的發(fā)展，但在驗證地下結(jié)構(gòu)動力分析問題的理論模型方面的研究成果還不多。在理論方法中按求解方法分，主要有解析法、數(shù)值法以及數(shù)值一解析結(jié)合法等?

6、由于解析法要求簡單規(guī)則的邊界條件及均勻(或簡單層狀)的介質(zhì)特性，與工程實際相比，有一定的局限性，這樣就使數(shù)值法和數(shù)值一解析結(jié)合法成為更加廣泛應(yīng)用的手段。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析時，可以采用解析方法、數(shù)值方法或它們的組合方法。對于一些簡單的介質(zhì)條件、載荷條件和結(jié)構(gòu)條件，例如均勻彈性半平面或半空間上受簡諧荷載作用的形剛性基礎(chǔ)板的振動，存在有解析解，但是在大多數(shù)情況下，例如復(fù)雜介質(zhì)條件下的基礎(chǔ)或地基振動，則往往需要借助于數(shù)值方法來求解；對場地響應(yīng)問題，則只對簡單的地形和介質(zhì)條件（半圓形或橢圓形山谷SH波入射）才具有解析解，而絕大多數(shù)實際的工程問題都必須借助于數(shù)

7、值解。地下結(jié)構(gòu)動力分析問題的另一個重要特點是他們與無限域的輻射阻尼有關(guān)，而且無限域的地基動力剛度是激振頻率的復(fù)雜函數(shù)，因此，地下結(jié)構(gòu)動力分析問題的求解在頻域內(nèi)進(jìn)行具有一定的優(yōu)越性。但是，眾所周知，頻域方法只適用于線彈性或粘彈性系統(tǒng)而不適用于非線性或彈塑性系統(tǒng)。因此,對于具有非線性特性的土壤地基來說，解決地下結(jié)構(gòu)動力分析問題只能借助于整體時域方法，或采用等效線性方法。對于地基為線彈性，結(jié)構(gòu)為非線彈性，也可以采用集中參數(shù)法。用來分析結(jié)構(gòu)動力分析問題的數(shù)值方法包括有限元法、邊界元法、有限差分法、有限條法、離散元法等等。其中有限元法是大家最熟悉的數(shù)值計算方

8、法之一，其優(yōu)點是數(shù)學(xué)過程簡單、物理概念清楚、計算程序編制具有有序性和一致性以及很好的適用性和高度的靈活性，并由于計算機(jī)技術(shù)