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摘要：城市地下工程的发展使地下结构与地表结构构成了一个复杂的动力相互作用体系，而现如今的抗震设计方法及研究理论忽略了地下结构与地表结构之间的相互作用，无法满足工程实际。本文针对隧道-土-上部结构相互作用体系的研究，总结了前人研究成果，介绍了该体系的地震反应分析研究方法和关键问题，并提出了在该体系地震反应分析研究上存在的不足。

关键词：动力相互作用;地震反应分析;振动台试验

中图分类号：TU  文献标识码：A  文章编号：（2020）-04-336

引言

出于交通便利的目的，地下结构的位置大都选在已经建成的建筑物附近。地震波在传播过程中与隧道发生相互作用，使隧道表面任何一点成为一个新的波源，新波源向各个方向发出次声波，形成地震波的散射，对附近地面建筑的地震反应产生影响[1]。因此，无论是对于隧道还是地表建筑，都应考虑相互作用的影响，而现如今抗震设计方法及研究理论仅仅停留在考虑单一结构的地震反应分析，忽略了地下结构与地表结构之间的相互作用，无法满足工程实际。因此，把隧道-土-上部结构作为一个体系进行地震反应分析更能真实反映隧道和上部结构在地震中的动力响应特性。

1.国内外发展现状

目前对于隧道-土-上部结构相互作用体系主要是采用动力法进行地震反应分析，对于该复杂体系的研究近几年才开始出现，因此在该方面的研究报道相对较少。其中有代表性的工作包括：陈国兴[2]等研究了隧道对场地地震反应的影响;王国波等[3-4]结合实际工程，建立盾构隧道–土体–地表邻近框架结构相互作用体系二维数值计算模型，对比分析隧道与邻近框架结构相互之间地震响应影响规律;H.Mroueh等[5]分析了地震作用下地表框架结构与隧道间的相互影响;何伟[6]通过对两层三跨地铁车站进行非线性地震响应分析，得出地下结构与地表建筑在不同场地中的地震响应规律;

2.隧道-土-上部结构相互作用体系地震响应分析研究方法

隧道-土-上部结构相互作用体系地震反应分析研究方法可总结为原型观测、模型试验和理论分析，需要把这些不同的研究方法联系起来才可能揭示动力相互作用问题机理[7]。

2.1原型观测

原型观测分为震害调查和地震观测。震害调查是指对地震区域进行震后调查，震害调查是最为真实的“原型试验”，但震害调查无法得出地震过程中结构的动力时程变化情况，因此需要进行地震观测;地震观测[8]可以全面的的了解体系的地震响应情况，从而进行更加有目的的研究和分析。进行地震观测需要在地震频发区预先在结构上布置测点，以期在未来的地震过程中记录测点处的地震动力响应。

2.2模型试验

离心机振动台试验和普通振动台试验是目前最主要的两种振动模型试验。离心机振动台试验存在着设备过于稀少以及振动台尺寸相对较小的缺点[9]。因此，普通振动台试验是目前地震反应分析研究的主要方法。

2.2.1模型的相似关系

进行模型相似比设计应首先确定模拟材料，振动台试验中常用镀锌铁丝、微粒混凝土、紫铜、水泥砂浆、钢筋细石混凝土、钢、有机玻璃等作为模拟材料。模型质量设计[10]和模型配筋设计[11]如下：

（1）模型质量设计。

模型质量为：Mm=MpS3lSρ（1）

模型中设置的人工质量为：Ma=MpS2lSE-Mm（2）

模型中活载和非结构构件的模拟质量为： Mom=MopS2lSE（3）

式中：Mp为原型结构构件的质量;Sl为长度相似常数;Sρ为质量密度相似常数;SE为弹性模量相似常数;Mop为原型中活载和非结构构件的质量。

（2）模型配筋设计

模型纵筋面积：Ams=SσSfyS2lAps（4）

模型箍筋面积：Amsv=SσSfyvSlSsApsv（5）

式中：Sfy为纵筋设计强度相似常数;Sσ为正应力相似常数;Sfv为箍筋设计强度相似常数;Aps为纵筋面积相似常数;Apsv为箍筋面积相似常数;Ss为箍筋间距相似常数。

2.2.2模型箱的选取及制作

常用模型箱可分为柔性模型箱、刚性模型箱和层状剪切模型箱[12]，刚性模型箱因其适应性强、设计简单、造价低而应用广泛。刚性模型箱通常采用在侧壁内衬柔性材料的方法模拟真实地层的剪切变形，杨林德等[13]提出在侧壁内衬聚苯乙烯泡沫塑料板可以使模型土体与箱体边界接触条件更接近真实地震响应下的剪切变形，楼梦麟等[14]通过试验给出较理想的边界柔性材料弹模与试验土体弹模之比在2.5左右;其次，在试验前要对模型箱进行进行频率测定，避免模型箱和土体产生共振。

2.2.3测点布置

振动台试验主要采用应变片、加速度传感器和土压力盒作为测试仪器。上部结构布置测点应考虑考虑结构平面变化层和结构的薄弱部位等，在自由场地、隧道、土与隧道作用区、隧道与上部结构作用区、上部结构和桩基中的不同代表部位布置测点;隧道结构，应在离端部距离超过隧道跨度的部位设置横向观测断，横断面须不少于三个，一个主观测断面，其它为辅助观测断面[15-16]。

2.2.4加载制度

加载过程应先选择地震波，然后再分别进行自由场加载和相互作用体系加载[17]。为了用时程分析法进行计算，在选择地震波时应至少选取一条人工合成的地震波和两条实际捕捉的地震波。振动台试验加载方式宜采用多次分级加载以模拟初震、主震、余震等不同等级和烈度地震作用下结构反应。

2.3理论分析

目前已经形成了多种求解动力相互作用控制方程组的方法[8]，其关系如图1所示。土-结构动力相互作用理论分析方法应用最为广泛的是有限元法和子结构法。

其中，有限元法在相互作用体系的研究中应用最为广泛，复杂的建筑结构形式，复杂的三维地下结构形式，复杂的围岩介质地质条件，不同的边界条件以及不同的地震动输入形式等都可以在有限元软件ABAQUS中进行模拟。用ABAQUS模拟隧道-土-上部结构相互作用体系地震响应的关键问题有土体本构模型、人工边界条件和土-结构接触关系。

3.总结

在隧道-土-上部结构相互作用体系抗震问题中，需要进一步研究的有：

（1）隧道沿纵向连续分布，实际地震输入为连续非一致激励，需要通过模型箱体结构的特殊设置，将振动台的离散多点非一致输入转化为箱内土体的连续非一致输入。

（2）土 -结构接触面力学作用机理。

（3）在ABAQUS中开发出适合土体特性的本构模型。

（4）土-结构动力相互作用系统的非线性分析研究。

（5）震害调查和原型观测资料的收集和积累。

参考文献

[1]李延涛，周占学.隧道对附近地面建筑结构地震反应的影响[J].河北工业大学学报，2014，43（05）：97-100.

[2]陈国兴，庄海洋，徐烨.软弱地基浅埋隧洞对场地设计地震动的影响[J].岩土工程学报，2004（06）：739-744.

[3]王国波，王亚西，陈斌，于艳丽.隧道–土体–地表结构相互作用体系地震响应影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2015，34（06）：1276-1287.

[4]王国波，于艳丽，何卫.下穿隧道–土–地表邻近框架结构相互作用体系地震响应初步分析[J].岩土工程学报，2014，36（02）：334-338.

[5]MROUEH H，SHAHROUR I. A full 3D finite element analysis oftunneling-adjacent structures interaction[J]. Computers and Geotechnics，2003，30（3）：245–253.

[6]何伟. 地下结构地震响应及其与地表建筑的影响研究[D].大连理工大学，2011.

[7]方志，陆浩亮，王龙.土-结构动力相互作用研究综述[J].世界地震工程，2006（01）：57-63.

作者单位：河北建筑工程学院