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摘要：随着地下结构工程的快速发展，提高其抗震性能是当今工程建设的重要研究方向。本文简要说明了地下结构地震反应的特点，并详细介绍了目前常见的地下结构抗震设计方法，并对其选取进行了分析说明，为地下结构设计人员提供了理论设计依据。
关键字：地下結构；地震反应；抗震设计
1.引言
长期以来人们普遍认为地下结构的数量少且抗震性能又优于地面建筑，因此对地下结构的抗震设计没有充分重视。然而，近几十年来，随着地下结构工程在我国各大中城市的大量修建，功能与用途也日趋增多，但频繁的地震破坏给社会带来了巨大的人员和经济损失，因此地下结构抗震问题也日益受到世界各国地震工作者的关注，地下结构的抗震研究已成为目前地震工程界的研究热点[1-3]。现在人类应对地震造成的建筑物破坏，主要采取两个方面的措施来解决：一方面是通过减小地震震动的输入来控制地震动影响建筑物，使建筑物处于在承受的范围之内；另一方面通过改变建筑物本身的性能来适应或应对地震动，以减小对建筑物的影响。地震时带来的地震震动使大地发生位移后，在建筑物上产生了附加的力和位移。无论是地上结构还是地下结构，要使地震对结构本身的影响最小，均需要从这两个方面来考虑采取具体的方法与对策。
2.地下结构地震反应的特点
地下结构和地面结构的地震反应存在明显的区别。当发生地震时，地面结构的地震反应主要以其本身的动力反应为主，而地下结构因为被土体所约束，会与周围的土体发生动态相互作用。地震波由基岩经软土层传至结构物，引起结构运动和变形并且部分地震波经反射入土层，对其产生反作用。模型边界波的能量向半无限空间辐射，引起能量的损失。因此，地下结构地震反应的特点如下：
1） 周围地基土壤显著影响约束着地下结构的振动变形，地下结构的动力反应表观出自振特性现象一般不明显。
2） 地下结构基本不会引起周围地基的震动，即地下结构的尺寸要远远小于地震的波长。
3） 地震波的入射方向严重影响着地下结构的震动形态，地震波的入射方向发生较小偏移或者改变时，可能会引起地下结构各点变形和应力的较大变化。
4） 地下结构在震动中各点的相位差别比地面结构明显。
5） 地下结构在振震动中的主要应变一般与地震所产生位移场大小有密切关系，而与地震加速度大小关系较小。
6） 地下结构的地震反应与其填埋深浅变化的关系不大。
7） 地下结构和地面结构与地基的相互作用，都会影响其动力反应，但影响的方式和程度则存在明显差异。
3.地下结构抗震设计方法
地下结构抗震设计经过多年的研究发展，目前存在的设计方法较多[4]。一般工程设计人员可能无法根据其实用性来恰当合理的判断并选用一种或多种进行抗震设计，也无法了解各种设计方法计算结果的差异性规律。本文根据地下结构地震反应的特点，对常见的地下结构抗震设计方法进行简要说明，为设计人员提供一定的理论依据。
3.1反应位移法
反应位移法认为地震时主要地震荷载为周围地层的变形，根据具体的地质条件沿地下结构的纵向或者横断面的深度方向判断地层变形，将地震时地层产生的位移差通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构物上，然后求得结构物上的应力大小。当地下结构的刚度较大而密度小于地层时，其纵向变形取决于周围地层的位移，包括纵轴水平和竖直方向的位移。计算过程中需要利用最危险的瞬时地层变形分布输入体系，并从地震时的地层变形、覆土影响、土压、结构本身的惯性力、液化影响、水压及浮力等方面进行综合考虑。
3.2等效静载法
地震加速度在结构中产生的惯性力可以被认为是地震荷载，计算其施加在结构物上的应力和变形，进而判断结构的安全性和稳定性，该方法被称为等效静载法，适用于地震荷载中惯性力占支配作用的结构物。当地下结构物的重力大于周围地层重力时，结构物自身惯性力起支配作用，响应加速度与周围地层加速度基本相同。但是较柔地下结构则响应不同，需要修正等效静载法。当计算结构承受荷载时，除受到的地震惯性力外，还应该考虑土压、内部液体的动压力等。
3.3BART隧道设计法
BART隧道设计法起源于美国20世纪60年代末修建旧金山海湾地区的快速运输系统（简称BART）中采用的地下结构抗震设计准则。它包括抗震特点、变形限制、土体不连续影响、内部构件、附属构件、细部结构、土压力、临时结构等抗震设计内容。该方法假定土体在地震期间不会丧失完整性，且只考虑地震作用下隧道结构的振动效应。在抗震设计中，提供结构有效的韧性来吸收土体强加到结构的变形，同时不使其承受静载的能力丧失。
3.4平面有限元整体动力计算法
平面有限元整体动力计算法是根据其动力响应特性，分别以合适的力学模型离散化地层和结构体系，生成网格体系，设计整个体系的输入地震波形，并且计算整个力学模型的时间响应，从而求得在设计地震波作用下结构物的各部分应力和变形的时间历程。
3.5质点—弹簧模型
该模型用于沉管隧道的抗震设计。假设围岩是由单一的表土层和其下方的坚硬基岩组成，其自动特性不受隧道存在的影响，地下结构在地震产生的应变中起主导作用的是表土层的剪切基本振动振型，结构自身惯性力对其动力形态有较小影响，可以不予分析考虑，根据围岩变形计算结构变形，地下结构被作为一弹性地基。
3.6节段长度法
节段长度法以土与结构相互作用作为准静态问题考虑，提供不同刚度的结构、土壤以及各种节段长度结构的最大弯矩和最大拉力，特点是结构的节段长度可以用来进行结构纵轴应变和应力的调整，常用有拉伸模型和弯曲模型。
3.7设计反应谱法
假定地震时的结构位移最大等于周围地层的位移，从土壤到结构的“位移传递比”取决于土壤和结构的刚度，即假定不破坏周围土体，根据强地震运动的加速度记录计算谱图，然后利用地下结构作为弹性介质静态的处理方法来计算位移传递比。 4.抗震设计方法的合理选择
上述几种抗震设计方法可以按照所研究对象的空间性来分类，可以分為以下几类：（1）横断面抗震设计方法：反应位移法（横断面）；等效静力荷载法；BART隧道设计法（横断面）；平面有限元整体动力计算法。（2）纵向抗震设计方法：反应位移法（纵向）；BART隧道设计法（纵向）；质点—弹簧模型；节段长度法；设计反应谱。（3）三维有限元整体动力计算方法。
为了合理选择上述地下结构的抗震设计方法，提高工程的抗震能力，首先应该根据地下结构类型、特点和所处地质情况，其次需要结合所研究的重点，如结构的横向荷载、位移和动力特性与纵向部位之间存在着很大的差异，此外在模型的选择、条件和约束边界的选取与简化等方面也有差异。为了提高地下结构抗震的可靠性，提高计算的准确度，对于地下结构的选址，应该尽量远离地震活断层和不稳定的地带，避免岩层风化的区域和饱和砂土地基，并且加强出入口的抗震性能设计。
5.结束语
地下结构的地震表现形式多样，破坏机理复杂且影响因素较多。近年来对地下结构的抗震设计和分析研究工作已取得了一些成果，但还没有形成一个系统完善的抗震设计方法。因此，在实际工程中要能够更好地达到抗震目的，笔者认为需要了解地震作用机理，依据工程类别经验、结构选址、建筑材料选用和施工质量控制等方面去综合考虑地下结构的抗震设计方法与对策。
参考文献
[1] 孙铁成，高波，叶朝良.地下结构抗震减震措施与研究方法探讨[J].现代隧道技术，2007，44（3）.
[2] 张俊海，申岳国，夏逸平，等.地下结构抗震设计方法综合对比[J].四川职业技术学院学报，2011，21（2）.
[3] 陶连金，王文沛，张波，等.地铁地下结构抗震设计方法差异性规律研究[J].土木工程学报，2012，45（12）.
[4] 白广斌，赵杰，汪宇.地下结构工程抗震分析方法综述[J].防灾减灾学报，2012，28（1）.
作者简介：
龙云（1981-），性别：男，籍贯：四川省资中县，工作单位：中铁二院，学历：本科，职称：工程师，研究方向：地下工程
邮寄地址：四川省成都市金牛区通锦路3号建筑院306室，邮编：610000，电话：13880461271，签收人：龙云
关键字：地下結构；地震反应；抗震设计
1.引言
长期以来人们普遍认为地下结构的数量少且抗震性能又优于地面建筑，因此对地下结构的抗震设计没有充分重视。然而，近几十年来，随着地下结构工程在我国各大中城市的大量修建，功能与用途也日趋增多，但频繁的地震破坏给社会带来了巨大的人员和经济损失，因此地下结构抗震问题也日益受到世界各国地震工作者的关注，地下结构的抗震研究已成为目前地震工程界的研究热点[1-3]。现在人类应对地震造成的建筑物破坏，主要采取两个方面的措施来解决：一方面是通过减小地震震动的输入来控制地震动影响建筑物，使建筑物处于在承受的范围之内；另一方面通过改变建筑物本身的性能来适应或应对地震动，以减小对建筑物的影响。地震时带来的地震震动使大地发生位移后，在建筑物上产生了附加的力和位移。无论是地上结构还是地下结构，要使地震对结构本身的影响最小，均需要从这两个方面来考虑采取具体的方法与对策。
2.地下结构地震反应的特点
地下结构和地面结构的地震反应存在明显的区别。当发生地震时，地面结构的地震反应主要以其本身的动力反应为主，而地下结构因为被土体所约束，会与周围的土体发生动态相互作用。地震波由基岩经软土层传至结构物，引起结构运动和变形并且部分地震波经反射入土层，对其产生反作用。模型边界波的能量向半无限空间辐射，引起能量的损失。因此，地下结构地震反应的特点如下：
1） 周围地基土壤显著影响约束着地下结构的振动变形，地下结构的动力反应表观出自振特性现象一般不明显。
2） 地下结构基本不会引起周围地基的震动，即地下结构的尺寸要远远小于地震的波长。
3） 地震波的入射方向严重影响着地下结构的震动形态，地震波的入射方向发生较小偏移或者改变时，可能会引起地下结构各点变形和应力的较大变化。
4） 地下结构在震动中各点的相位差别比地面结构明显。
5） 地下结构在振震动中的主要应变一般与地震所产生位移场大小有密切关系，而与地震加速度大小关系较小。
6） 地下结构的地震反应与其填埋深浅变化的关系不大。
7） 地下结构和地面结构与地基的相互作用，都会影响其动力反应，但影响的方式和程度则存在明显差异。
3.地下结构抗震设计方法
地下结构抗震设计经过多年的研究发展，目前存在的设计方法较多[4]。一般工程设计人员可能无法根据其实用性来恰当合理的判断并选用一种或多种进行抗震设计，也无法了解各种设计方法计算结果的差异性规律。本文根据地下结构地震反应的特点，对常见的地下结构抗震设计方法进行简要说明，为设计人员提供一定的理论依据。
3.1反应位移法
反应位移法认为地震时主要地震荷载为周围地层的变形，根据具体的地质条件沿地下结构的纵向或者横断面的深度方向判断地层变形，将地震时地层产生的位移差通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构物上，然后求得结构物上的应力大小。当地下结构的刚度较大而密度小于地层时，其纵向变形取决于周围地层的位移，包括纵轴水平和竖直方向的位移。计算过程中需要利用最危险的瞬时地层变形分布输入体系，并从地震时的地层变形、覆土影响、土压、结构本身的惯性力、液化影响、水压及浮力等方面进行综合考虑。
3.2等效静载法
地震加速度在结构中产生的惯性力可以被认为是地震荷载，计算其施加在结构物上的应力和变形，进而判断结构的安全性和稳定性，该方法被称为等效静载法，适用于地震荷载中惯性力占支配作用的结构物。当地下结构物的重力大于周围地层重力时，结构物自身惯性力起支配作用，响应加速度与周围地层加速度基本相同。但是较柔地下结构则响应不同，需要修正等效静载法。当计算结构承受荷载时，除受到的地震惯性力外，还应该考虑土压、内部液体的动压力等。
3.3BART隧道设计法
BART隧道设计法起源于美国20世纪60年代末修建旧金山海湾地区的快速运输系统（简称BART）中采用的地下结构抗震设计准则。它包括抗震特点、变形限制、土体不连续影响、内部构件、附属构件、细部结构、土压力、临时结构等抗震设计内容。该方法假定土体在地震期间不会丧失完整性，且只考虑地震作用下隧道结构的振动效应。在抗震设计中，提供结构有效的韧性来吸收土体强加到结构的变形，同时不使其承受静载的能力丧失。
3.4平面有限元整体动力计算法
平面有限元整体动力计算法是根据其动力响应特性，分别以合适的力学模型离散化地层和结构体系，生成网格体系，设计整个体系的输入地震波形，并且计算整个力学模型的时间响应，从而求得在设计地震波作用下结构物的各部分应力和变形的时间历程。
3.5质点—弹簧模型
该模型用于沉管隧道的抗震设计。假设围岩是由单一的表土层和其下方的坚硬基岩组成，其自动特性不受隧道存在的影响，地下结构在地震产生的应变中起主导作用的是表土层的剪切基本振动振型，结构自身惯性力对其动力形态有较小影响，可以不予分析考虑，根据围岩变形计算结构变形，地下结构被作为一弹性地基。
3.6节段长度法
节段长度法以土与结构相互作用作为准静态问题考虑，提供不同刚度的结构、土壤以及各种节段长度结构的最大弯矩和最大拉力，特点是结构的节段长度可以用来进行结构纵轴应变和应力的调整，常用有拉伸模型和弯曲模型。
3.7设计反应谱法
假定地震时的结构位移最大等于周围地层的位移，从土壤到结构的“位移传递比”取决于土壤和结构的刚度，即假定不破坏周围土体，根据强地震运动的加速度记录计算谱图，然后利用地下结构作为弹性介质静态的处理方法来计算位移传递比。 4.抗震设计方法的合理选择
上述几种抗震设计方法可以按照所研究对象的空间性来分类，可以分為以下几类：（1）横断面抗震设计方法：反应位移法（横断面）；等效静力荷载法；BART隧道设计法（横断面）；平面有限元整体动力计算法。（2）纵向抗震设计方法：反应位移法（纵向）；BART隧道设计法（纵向）；质点—弹簧模型；节段长度法；设计反应谱。（3）三维有限元整体动力计算方法。
为了合理选择上述地下结构的抗震设计方法，提高工程的抗震能力，首先应该根据地下结构类型、特点和所处地质情况，其次需要结合所研究的重点，如结构的横向荷载、位移和动力特性与纵向部位之间存在着很大的差异，此外在模型的选择、条件和约束边界的选取与简化等方面也有差异。为了提高地下结构抗震的可靠性，提高计算的准确度，对于地下结构的选址，应该尽量远离地震活断层和不稳定的地带，避免岩层风化的区域和饱和砂土地基，并且加强出入口的抗震性能设计。
5.结束语
地下结构的地震表现形式多样，破坏机理复杂且影响因素较多。近年来对地下结构的抗震设计和分析研究工作已取得了一些成果，但还没有形成一个系统完善的抗震设计方法。因此，在实际工程中要能够更好地达到抗震目的，笔者认为需要了解地震作用机理，依据工程类别经验、结构选址、建筑材料选用和施工质量控制等方面去综合考虑地下结构的抗震设计方法与对策。
参考文献
[1] 孙铁成，高波，叶朝良.地下结构抗震减震措施与研究方法探讨[J].现代隧道技术，2007，44（3）.
[2] 张俊海，申岳国，夏逸平，等.地下结构抗震设计方法综合对比[J].四川职业技术学院学报，2011，21（2）.
[3] 陶连金，王文沛，张波，等.地铁地下结构抗震设计方法差异性规律研究[J].土木工程学报，2012，45（12）.
[4] 白广斌，赵杰，汪宇.地下结构工程抗震分析方法综述[J].防灾减灾学报，2012，28（1）.
作者简介：
龙云（1981-），性别：男，籍贯：四川省资中县，工作单位：中铁二院，学历：本科，职称：工程师，研究方向：地下工程
邮寄地址：四川省成都市金牛区通锦路3号建筑院306室，邮编：610000，电话：13880461271，签收人：龙云