1、地下结构抗震内容简介本书主要论述地下结构震害及其特点、地下结构抗震计算与设计方法、地下结构抗震构造措施等，具体包括地下结构抗震概论、地下结构震害、地震与地震区划、地震作用下土的动力特性及土声能动力响应计算、土-结构体系的动力相互作用、岩土中的应力波、动力计算的边界、地下结构抗震计算方法、地下结构抗震模型实验以及抗震设计原则与构造措施等。本书包含了作者近年在该领域内的研究成果，并结合我国的实际示例介绍了地下结构抗震原理及其分析计算方法。 本书可供从事抗震工程的设计、研究人员参考，亦可作为高等院校土建专业、地下结构专业研究生及高年级学生的教学参考用书。目录序言一序言二前言第一章 地下结构抗震概论第
2、一节 引言第二节 地下结构地震反应的特点第三节 地下结构抗震分析方法的分类参考文献第二章 地下结构震害第一节 引言第二节 地下铁道的震害第三节 地下管道震害第四节 其他地下结构的震害第五节 小结参考文献第三章 地震与地震区划第一节 引言第二节 地震成因与地震类型第三节 地震波与地震观测第四节 震源、震级和震中第五节 地震宏观破坏现象与震害第六节 地震烈度与震害指数第七节 烈度衰减规律第八节 场地因素对烈度影响第九节 中国的地震与地震区划第十节 地下结构抗震计算地震输入波的确定方法参考文献第四章 地震作用下土的动力特性及土层动力响应计算第一节 引言第二节 土的动力本构模型第三节 土的液化第四节
3、地震作用下土层的动力响应计算参考文献第五章 土-结构体系的动力相互作用第一节 引言第二节 土-结构相互作用体系运动方程第三节 运动方程的求解方法参考文献第六章 岩土中的应力波第一节 引言第二节 应力和应变第三节 虎克定律第四节 杆件中的弹性应力波第五节 无限弹性介质中的应力波第六节 半限弹性介质中的应力波第七节 地震波在岩土介质中传播特点参考文献第七章 动力计算的边界第一节 引言第二节 等效粘性边界第三节 能量传递边界参考文献第八章 地下结构抗震设计计算方法第一节 引言第二节 横断面抗震计算方法第三节 纵向抗震计算方法第九章 地下结构抗震模型实验第十章 抗震设计原则和构造措施附录：地震学大事记
4、（典故及展望）地下结构抗震第一章 地下结构抗震概论第一节 引言 我国是世界上的多地震国家之一。图1.1为我国地震活动带分布示意图(包括19661976年八大地震位置)，它大致划分为六个地震活动区：台湾及其附近海域；喜马拉雅山脉地震活动区；南北地震带；天山地震活动区；华北地震活动区；东南沿海地震活动区。以1966年至1976年观测，我国大陆发生的八大地震均具有强度大、频度高、震源浅的特点。以地质构造上看，都是断裂剧烈活动的地区。近年来，我国的地震活动较为频繁，因而，城市抗震防灾尤为重要。随着社会经济的发展，人口逐渐聚集于城市，目前全世界的半数人口集中在不到0.7的陆地面积上，1000万以上人口的
5、城市达到25个。世界上多次破坏性地震都集中在城市。1906年美国旧金山大地震(M8.3)，1923年日本关东大地震(M8.2)，1960年智利南部大地震(M8.5)，1964年美国阿拉斯加大地震(M8.4)，1968年日本十胜冲大地震(M8.0)，1976年中国唐山大地震(M708)，1989年美国洛马普里埃地震(M7.0)，1994年诺斯雷奇地震(M6.7)，1995年日本阪神大地震(M7.2)。这些城市在地震中均遭到严重的、甚至毁灭性的破坏，经济损失惨重。地震灾害不仅是因其巨大的能量造成大量地面构筑物和各种设施的破坏与倒塌，而且也造成诸如地下生命线工程等地下结构和设施的破坏和塌陷，并由此造
6、成次生灾害，产生巨大的间接经济损失。图1.2为1960年以来大地震所造成的经济损失，反映出年均经济损失每十年几乎翻番，个别的地震灾害的经济损失更是巨大，如1995年阪神地震，它的总损火达1000亿美元。 近年来，为拓展城市空间，地下空间的发展日益受到重视。地下结构在水利水电、公路、铁路交通运输以及城巾建设中获得广泛应用，地下结构在地震时的安全问题对于人民生命财产的保障以及城市生活的正常运行有极为重要的意义。近年来，地下结构的抗震分析方法得到了很大的发展，有关文献大量涌现，但这些文献一般多从不同的角度进行论述，还很少见到对这种结构的特点及其分析方法进行全面论述的文章。笔者根据自己所进行的工作、国
7、际交流以及对有关文献研究中的体会，试图对地下结构抗震分析的求解方法与途径作一个概括性的初步分析。第二章 地下结构震害 第一节 引言 1995年日本阪神地震前，世界范围内历次地震中有许多关于地下线形结构及小型供水系统结构遭受地震破坏的报道，但关于地下铁道震害的报道却非常少见，且多属程度较轻的损坏。如1976年唐山大地震(ML7s)中，刚建成的天津地铁经受住了地震的考验L1(天津地震烈度78度)，仅在沉降缝部位发生外涂面层局部脱落或出现裂缝等现象，而未发现其他形式的损坏。又如1985年墨西哥地震(M，。81)中，建在软弱地基上的地铁结构仅车站在侧墙与地表相交处发生结构分离现象。地下结构震害记录少的
8、个主要原因是因为大规模利用地下空间建造地下结构近些年才开始，在这期间大都市没有发生或遭受大的地震。 以前，人们认为“地下构造物在地震时随着地基的运动而运动”，即除特殊情形外，一般认为地震对地下结构(明挖隧道)影响很小。1995年以前，抗震工程学者曾指出：关于地下结构，虽然迄今尚无严重震害事例，但从地上结构受震破坏经验来看，可以没想这类结构今后仍有出现震害的可能，设计时对此应有必要的充分准备。数年后，此话不幸而言中。1995年阪神地震中，神户市部分地铁车站和区间隧道受到了不同程度的破坏。其中大开站最为严重，一十以上的中柱完全倒塌，导致顶板坍塌和上覆土层大量沉降，最大沉降量达25m之多。破坏主要发
9、十于7度烈度区域内。然而和地面结构相比较，地铁隧道的破坏仍属轻微，尤其是盾构隧道，破坏非常轻微。 地下管道在现代化工业生产和人民生活中占有重要的地位，并在输水、油、气(汽)、煤、排水以及通信、供电、交通运输等方面得到了广泛的应用。地下管道发生震害时，将给国计民生带来重大损失和人员伤亡。1906年美国旧金山地震时，三条主要输水管道遭到破坏，城市配水管网发生上千处破裂，导致消防水源断绝，以致由地震引起的火灾无法及时扑灭，大火燃烧了三天三夜，造成800人死亡，财产损失4亿美元。1923年日本关东地震时，东京市40的损失系由地震引起的火灾造成。1933年长滩地震时，3月19日晚的19处大火中有7处被认
10、为是由管道或煤气装置破坏引起。1971年2月美国圣菲尔南多市在发生的66级地震中，煤气管、水管等受到严重破坏；以该地震为契机，许多国家相继成立“生命线地震工程”研究机构，在此以后召开的世界性或地区性的地震会议上，有关生命线地震工程的论文如雨后春笋勃然兴起。1975年海城地震(M、73)中，营口市(8度区)150多公里管道破坏达372处，配水管网大量漏水，正常供水量和水压均不能保证，有的甚至中断供水，平均震害率为24处km，经一个多月抢修才恢复正常；盘锦地区(7度区)直埋大口径钢骨665km，焊口断裂21处，破坏率达o31处kHi；丝扣连接的小口径管道破坏率为16处kms铸铁管道为o8处km。1
11、976年唐山地震(M1 78)中，唐山市给水系统全部瘫痪，经一个月抢修才基本恢复供水；秦京输油管道发生5处破坏。1985年墨西哥地震(M：81)中，不同材质的各种管道均有破坏(包括钢管道)，其中煤气干管断裂引起煤气爆炸，市政管网煤气管道断裂引起火灾，且因供水管网损坏，救火很困难。1995年日本阪神地震(M、72)中，神户市及阪神地区几座城市的供水系统和污水排放系统受到严重破坏，其中神户市供水系统完全破坏，并丧失基本功能。可见，地震对地下管道系统的破坏，不仅在高烈度区可对国计民生造成灾难性危害，在低烈度区也可对国民经济带来重大损失。 震害调查的日的，是为了归纳地下结构的震害的类型和影响因素，据以
12、分析结构发生破坏的机理，为建立合理的分析模型和建议设计方法提供启示。 第二节 地下铁道的震害 这里主要叙述神户市内地下铁道在1995年阪神地震中发生的震害，并提供某些关于破坏原田的观点和分析，供为地铁抗震设计研究参考。 神户市内铁道设施主要包括JR、阪急、阪神、山阳、神户电气铁路，神户高速铁路，市营地下铁道和北神急行铁道等，其中穿越市区的地下铁道有阪神、山阳、神户电铁，神户高速铁路和市营地下铁道等五条线路(表21)。地下部分线路总长度约为214km，车站总数为21座。 车站内部由兼作停车场的站台，有剪票设施的中央大厅、风机房及电气室等组成。结构断面尺寸随层数，跨数不同而异，且差别很大。此外，车
13、站前后设有L行和下行线路的换乘区间，其结构为不设中柱的大跨度地下结构。 一、地铁车站的震害 神户市各铁道线路地下车站的受灾地点如图21所示。其中大开站和上泽站受灾最为严重，阪神电气铁路和神户电气铁道的地铁车站则基本未被破坏。本节详细介绍了神户高速铁路的大开站和市营地下铁道的上泽站的灾情，概述了其他地铁车站，如神户高速铁路的长田站、市营地下铁道的新长田站和三宫站，以及山阳电气化铁道的西代站和板宿站等发生的震害。 (一)神户高速铁路 神户高速铁路的六个地铁车站中，大开站和长田站受灾较严重，其他车站受灾较轻，仅混凝土结构出现裂缝。 (1)大开站 大开站始建于1962年，用明挖法构建。长120m，采用
14、侧式站台。有两种断面类型：标准段断面1一l和中央大厅段断面22(图22及表22)。11断面为站台部分；22断第三章 地震与地震区划 第一节 引言 地震是一种由于地球内部物质快速运动或人为爆破造成地面振动的自然现象。原先人们有一种错觉，以为地下工程由周围岩土介质所包围，不易受地震所破坏。而且认为地下15m以下的深处不会发生地震砂土液化。但是，1995年1月17口的日本阪神地震对神户大开地铁车站的破坏事实表明，应当纠正上述lSm以下的深处不会发生地震砂土液化”的错误认识，必须重视地下工程的抗震设防。因此有必要了解地震及其对于地下工程破坏有哪些特点。 第二节 地震成因与地震类型 通常根据地震成因将地
15、震分成天然地震和人工地震两大类。天然地震包括由于地下岩层错动而产生的构造地震，由于火山喷发引起的火山地震，以及由于矿山采空区塌落造成的陷落地震。人工地震包括地下核爆炸、石油勘探中的人工爆破，以及巨大工程倒塌引起的地面振动。 对于地面和地下工程而言，引起工程结构破坏的地震主要是构造地震。从物理学的角度讲，这类地震属于地下介质中巨大应变能的突然释放。正因为它的“巨大”和“突然”，给工程安全带来很大的风险。所以下面将集中讨论这类地震。 地震多发生在现代构造运动强烈的地区，如地中海喜马拉雅地震活动带与环太平洋地震带所在的断裂带和岛弧地区。这是什么原因呢?长期的研究表明，地球表面的海洋和大陆在地质时期内
16、不是固定不变的；这里除了由地面的隆起与沉降的垂直运动外，更主要的是发生大规模的水平运动(图31)。 大陆漂移就是明显的证据。这类研究各个大构造体之间及其内部的构造作用的些论点，今天已发展成为一种学说，即地球动力学说。根据地球动力学的观点，地球的岩石层并不是整体一块，而是被一些活动的构造海岭、岛弧、转换断层等所割裂，形成若干板块，如欧亚板块、美洲板块、太平洋板块、印度板块和南极板块(图32)。 地球板块大地构造是建立在海底扩张假设的基础之上的，此假设认为地壳运动最主要的动力是由于地幔物质的对流，对流速度每年1厘米到数厘米。因为地球的最上层为强度较大且厚度不到lOOkm的岩石层，而下面是数百公里的
17、软流层，对流就发生在软流层内。海底是对流循环的顶端。地幔物质从海底的破裂带(海岭处)喷出来，向两边扩张，形成新的海底；旧的海底则向前移动(每年约数厘米)，再在某些地带，如岛弧地带又沉入软流层，从而完成对流的循环。这个循环系统的尺度可达几千公里。某些循环现在仍在流动，但某些则已停止。在地质年代里，对流循环的位置是有变化的，因此导致大地构造形态上的变化。但对流循环的形态是在地球内部进行的，与大陆的位置无关。大陆仿佛坐在传送带上一样，随岩石层一起流动。当大陆达到对流的汇聚点时，因为较轻而停止不动。如果一个新的对流循环恰有一块大陆从下面上升，则人陆将被冲破而形成新的断裂(图33)。 在海岭、岛弧、转换
18、断层三种形态之间的作用力有三种类型：海岭处主要是张力，常造成正断层，岛弧地区主要是挤压，造成逆掩断层，而剪切地区则形成转换断层，它足平移断层的一种。这些相互作用力就是地震发生的主要原因。可看出，板块的划分与全球地震带的分第四章 地震作用下土的动力特性及土层动力响应计算 第一节 引言 对于地面结构的抗震来说，场地地基的重要性是不言而喻的。因为地面结构建在地墓上面，地震使地基不能保持稳定(如砂土液化、滑坡等)，直接危及地面结构的安全。同时地面结构物的振动性状，也取决于地基对地震能量的传递。所以地面结构的地震破坏，除了结构本身的原因外，总可以从地基方面找到解释。 地下结构完全处于周围土壤的包围之中，
19、一方面地下结构的受力变形受到周围土壤变位的影响；另一方面土壤对地下结构的变形起着约束和限制的作用。地下结构在地震期间就是在这种复杂微妙的条件下工作。所以谈到地厂结构的抗震时，不能不淡到场地地基的作用。 地区烈度通常是对较大范围中等土壤条件规定的一种平均烈度。场地烈度是根据局部场地地基上壤的好坏，对地区烈度所作的修正。或降低一度或提高一度。结构物的计算烈度就是按场地烈度来考虑的。地面振动和近地表面的地层运动，是地震的基岩或“类岩”层(也称下卧层)的剪切波向上传播的结果，因此了解地震时基岩或“类岩”层产生的振动因素(地震持续时间，加速度卓越周期，加速度峰值)是一个重要方面。遗憾的是目前还没有取得这
20、方面的任何仪器记录。表层土壤的性质和深度对于埋在其中的地下结构有重要影响，这表现在：第一，基岩或“类岩”层处的地震运动，经过表层土壤(软十)的传播，会产生放大的效果。第二，改变结构的周期、振动等动力特性。第三，振动能量的一部分由于表层土壤的材料阻尼和辐射阻尼而散失。如拉加斯地震(1967年)和马尼拉地震(1967午和1970年)再证实，软土会增大地震作用的强度。软土地基中，地震波的波速小，卓越周期长。表层土壤越厚，卓越周期越长。近地面的运动加速度、速度和土壤应变都会加大。1985年墨西哥市遭到超乎预料的大震灾，软地基是酿成严重灾害的最大原因，结论是软地基是祸根。对于软土中地下结构的抗震设计来说
21、，应引起足够注意。 地基土一般是由土颗粒所构成的土骨架和孔隙中的水及空气组成的。在动荷载作用下，土颗粒趋向新的较稳定的位置移动，土体因而产生变形。对于饱和土，当土骨架变形，孔隙减小时，其中多余的水被挤出。对于非饱和土，先是孔隙间的气体被压缩，随后是多余的气体和孔隙水被挤出。由于固体骨架与孔隙水之间的摩擦，使得孔隙水和气体的排出受到阻碍，从而使变形延迟，故土的应力变化及变形均是时间的函数。土不仅具有弹塑性的特点，而且还有粘性的特点，可将土视为具有弹性、塑性和粘滞性的粘弹塑性体。 此外，还由于土具有明显的各向异性(结构各向异性、应力历史各向异性)，加上土中水的影响，使土的动应力应变关系表现得极为复
22、杂。循环荷载作用下上的动应力应变关系表现出非线性、滞后性和变形积累三方面的特征。土的骨干曲线表示最大剪应力与最大剪应变之间的关系，反映了动应力应变的非线性特征，如图41所示；土体应力应变关系中的滞回曲线表示某一应力循环内各时刻剪应力与剪应变之间的关系，反映了应变对应力的滞后性，表现着土的粘性特性，如图42所示；土体在受荷过程中会产生不可恢复的塑性变形，这一部分变形在循环荷载的作用下会逐渐积累，如图43所示。它们一起反映了土体动应力应变关系的全过程。 同时，土的动应力应变关系，也并不是仅仅地表现为非线性、滞后性和变形积累这三个特性的简单物理叠加，土的各种特性之间有着特定的依赖关系。就简单问题而言
23、，可以将这三者分别加以考虑得到土的动本构关系，它可以在一定的范围内取得足够精确的结果。对于复杂问题而言，就必须将这三者联合考虑，才有可能得到满意的答复。 近年来，各国学者从不同的方向对土体的动力特性及其动力响应等问题进行了深入研究。其中，土的动力变形和强度特性及本构关系模型是土动力学研究的基本问题，土层的动力响应分析理论和计算方法是进行场地地震危险性评价与土石坝、土坡乃至尾矿堆筑体和废弃物填埋体及其加固所采用的主要手段之一。 第二节 土的动力本构模型 从土体受地震等动力荷载后的表现可以抽象出以下三个基本力学元件，即弹性元件、粘性元件和塑性元件，并且可用这三个元件的各种组合来近似地描述土体的力学
24、性能和动力特征。由于土体实际动力本构关系是极其复杂的，它在不同的荷载条件、土性条件及排水条件下会表现出极不相同的动力本构特性，因此要建立一个能够适用于各种不同条件的土体第五章 土-结构体系的动力相互作用 第一节 引 言 当地下结构与地面结构连为一个整体时，由震源出发，通过场地土传播的地震波出入结构体系，使其振动。这时，结构体系产生的惯性力如同新的震源又反过来作用于场地，引起新的地动再作用于结构体系。这种现象称为土结构体系的动力相互作用(Soil-StructureInteraction，缩写SSl)。 土结构体系的动力相互作用一般包括两个方面：一方面是由惯性力引起的相互作用(Intertial
25、Interation)；另一方面则是有所谓约束地震动的相互作用，也称运动相互作用(Kinematlc Interation)。 地下结构在地震作用下的恢复力与变形的关系是复杂的，通常均以分段线性化的关系来代替非线性关系，即以折线代替曲线。结构的质量在地震过程中也可能有些变化，但一般来说这种变化太小，因此质量可视为常量。至于结构的阻尼，在地震过程中是有变化的，一般表示为阻尼或作为常量来处理。 本章所述方法具有广泛的应用，振动方程是一般的变质量、变刚度、变阻尼体系受任意动力荷载的情形建立起来的。由此一般情况，易于导出有实际应用的许多特例，包括弹性体系在内。 本章运动方程的解法均为数值解法。通常认为
26、一个理想的数值解法应具备以下条件： (1)解线性振动是无条件稳定的。所谓稳定性是指初始数据的误差以及计算中的舍人误差等在计算过程中的积累是否受到控制的问题。粗略地说，如果计算结果对初始数据的误差及计算中的舍入误差不敏感，就说明计算方法是稳定的。如果仅当步长较小时计算是稳定的，则称为有条件稳定，否则为无条件稳定。无条件稳定对计算自由度很大的结构体系是十分必要的。 (2)具有能用时间步K以外的一个参数来控制“伪阻尼”，而且可在特殊情况下不产生“伪阻尼”。 (3)所谓“伪阻尼”是由于计算方法上的原因而使计算振幅产生不应有的衰减，相当于额外引入的一种阻尼。 (4)“伪阻尼”对结构的前几个振型的影响不大
27、，主要是滤掉厂高振型分量。 (5)在每一步中需要求解的隐式方程不超过一组。 (6)具有二阶精度。 (7)自起步。 第二节 土-结构相互作用体系运动方程 下面概述分析这类问题的有限元法，采用图5。l所示的体系，它包括基岩层(地震波由第六章 岩土中的应力波 第一节 引言 如果荷载突然作用于岩土介质，那么，该介质最靠近动力源的部位将首先受到影响。介质由于荷载引起的变形，将以应力波的形式逐渐扩散到介质的各个部位。应力波在有界弹性介质中传播的性质是本章所要讨论的内容。应力波能确定如弹性模量和剪切模量等土体的特性，它还有助于发展抗震结构的设计参数，因此应力波的传播在岩土工程中占有及其重要的位置。应力波传播
28、的问题可以划分为三个主要类型： (1)杆件中的弹性波； (2)无限弹性介质中的应力波； (3)弹性半空间中的应力波。 然而，在应力波的关系被建立起来之前，我们需要对在弹性介质中经常遇到的应力、应变及相关参数的定义有足够的了解。这些定义将在接下来的第二节和第三节中给出。 第二节 应力和应变 一、应力的标注 图61是弹性介质中的一个单元，各边尺寸为dx，如，dz。垂直于z，y，x轴平面上的正应力分别为ox,oy,oz。剪应力为rxy,ryx,ryz,rxy,rzx,rxz。一剪应力的标注如下。 例如，剪应力rij，它表示作用在垂直于i轴的平面上，方向平行于j轴的剪应力。考虑 大部分有关弹性理论的教
29、材中都给出了上述各式的推导(例如Timoshenko和Goodier，1970)。此处不再赘述。 第三节 虎克定律 对于弹性各向同性材料，正应变和正应力通过下列等式相联系：第七章 动力计算的边界 第一节 引言 作为有限元计算模型(图71)不可能取无限大区间，只能切取其中一部分来计算，与其他部分的关系通过设置边界来处理，即人工边界。一般底面采用粘性边界，以模拟地震能量至基础底面时，一部分被反射后向下方的能量逸散，两侧面采用粘性边界或能量传递边界或自由场边界或其他形式的边界，以模拟地震能量向两侧方向无限远处的逸散。 为了处理地震能量向场地远方逸散，选择合适的边界条件加以模拟是刚有限元法求解土结构动
30、力相互作用关键问题之一。在建立整个体系运动方程之前，先介绍常用的边界处理方法，主要有等效粘性边界、能量传递边界。 第二节 等效粘性边界 Lysmc，及Kuhlemeycr等首先提出为研究吸收波动的反射能量在边界引入粘性反力概念的建议，认为在边界面上应给予的粘性正应力。和剪应力r可如下表示：第八章 地下结构抗震设计计算方法 第一节 引言 在本书第二章已较详细阐述了地下结构的震害类型及特点。地下结构抗震设汁中，不可能设计一种结构去抵御断层产生的大片土壤的位移，有效的方法是在地质勘查中鉴别这类危险地区，尽量避开它。如果避不开，应该使破坏局部化，提出易于修复的措施。至于地震引起振动产生的破坏，这是地震
31、对地下结构作用的常见形式，般的抗震研究和抗震措施主要是针对这种情况。 地下结构抗震没计的计算方法是随着对地下结构动力响应特性认识的不断发展，以及近年来历次地震中地下结构震害的调查、分析总结以及相关研究的不断深化而发展的。上个世纪中期以前，地下空间还未得到较大规模的开发，地下结构的建设也未有大的发展，无论是单体规模还是总体数量，都处于一个较低的水平。与此同时，与地面建筑相比，大地震中地下结构的破坏实例及调查研究都较少，因此在进行地下结构的设计计算中，地震囚素还未成为一个必须考虑的因素，更没有系统的地下结构抗震计算的理论和方法。20世纪五六十年代以后，随着各国经济建设的发展，城市化进程加速，为解决城市建设中的各种问题，地下空间开发逐渐得到重视，地下结构的建设也逐渐增多，如地下街、地下停车场、地铁以及各种地下管线等。地下结构的抗震设计也进入人们的视野，各类地下结构的设计计算中也开始考虑地震的影响。这阶段中对地震荷载或者说地震影响的考虑还处于较为初级的阶段，大致可分为两种：一种是从安全系数的角度(增大安全系数)进行考虑，另一种
