地下建筑的抗震設(shè)計(jì)

地下建筑的抗震設(shè)計(jì)第十八講2010.10.15地下結(jié)構(gòu)的震害及其啟示地下建筑抗震設(shè)計(jì)的基本要求地下建筑抗震計(jì)算的要點(diǎn)地下建筑的抗震構(gòu)造措施

1.1

地下結(jié)構(gòu)的震害

1.1.1

阪神地震以前的震害1995年1月17日日本阪神地震之前，地下結(jié)構(gòu)、地鐵震害的報(bào)道非常少見(jiàn)，且損壞程度較輕。

1.

地下結(jié)構(gòu)的震害及其啟示

1975年海城地震（ML7.3）中，營(yíng)口市（8度區(qū)）150多公里管道破壞372處，配水管網(wǎng)大量漏水，不能保證正常的供水量和水壓，有的地方甚至供水中斷，平均震害率為2.4處/km，經(jīng)一個(gè)多月?lián)屝薏呕謴?fù)正常供水；盤(pán)錦地區(qū)（7度區(qū)）直埋大口徑鋼管66.5km，焊口斷裂21處，破壞率達(dá)0.31處/km；絲扣聯(lián)結(jié)的小口徑管道破壞率為16處/km；鑄鐵管道為0.8處/km。

1976年唐山地震（ML7.8）中，唐山市給水系統(tǒng)全部癱瘓，經(jīng)一個(gè)月?lián)屝薏呕净謴?fù)供水；秦京輸油管道發(fā)生5處破壞。開(kāi)灤煤礦井巷工程總長(zhǎng)17.7萬(wàn)m，主體結(jié)構(gòu)震害輕微；噴錨、璇砌工藝支護(hù)比梯形支架震害輕；斷面形狀和尺寸或坡度變化、拐彎、不同支護(hù)材料交接處等剛度變化的薄弱部位震害較重；地質(zhì)條件復(fù)雜地段震害重；采空區(qū)附近震害重；停電水淹加重震害。

唐山地區(qū)烈度11度，除陡河沿岸的人防次干道破壞較重（拱頂未倒塌）外，僅個(gè)別薄弱部位出現(xiàn)裂縫；

寧河、漢沽區(qū)烈度9度，塘沽烈度8度，人防工程大多位于濱海相沉積層，除表層土強(qiáng)度稍強(qiáng)外均為淤泥質(zhì)土或粉土，其人防地道裂縫較大，普遍每隔12m左右出現(xiàn)寬1~3cm的環(huán)向裂縫，少數(shù)工事出現(xiàn)縱向裂縫，并在接頭轉(zhuǎn)角處多處發(fā)生斷裂和錯(cuò)動(dòng)。因地下水位很高又沒(méi)有排水設(shè)施，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和部分防水砂漿抹面脫落造成漏水，以致工事內(nèi)積水嚴(yán)重，影響正常使用。個(gè)別地段的工事底部有噴砂冒水現(xiàn)象，未覆土的人防通道有的局部坍塌。1985年墨西哥地震（ML8.1）中，地震引起不同質(zhì)材的各種管道均有破壞（其中包括鋼管道），其中煤氣干管斷裂引起煤氣爆炸，市政管網(wǎng)煤氣管道斷裂引起火災(zāi)，且因供水管網(wǎng)損壞，救火很困難。1.1.2

阪神地震中地下鐵道的震害

1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫(kù)縣南部的里氏7.2級(jí)的“阪神地震”最具有代表性。在這次地震中，神戶市內(nèi)采用明挖法建造、上覆土層較淺的地下鐵道、地下停車場(chǎng)、地下商業(yè)街等大量地下結(jié)構(gòu)都發(fā)生了嚴(yán)重的破壞。A.大開(kāi)站

地鐵大開(kāi)站，長(zhǎng)120m，側(cè)式站臺(tái)。有兩種斷面類型。標(biāo)準(zhǔn)段斷面1-1為站臺(tái)部分，是寬17m×高7.2m的1層2跨結(jié)構(gòu)；中央大廳段斷面2-2為寬26m×高10m的2層4跨結(jié)構(gòu)，地下一層是檢票大廳，地下二層為站臺(tái)。底板、側(cè)墻和中柱為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。大開(kāi)站覆土2m，約有30根截面0.4m×1.0m間距3.5m的中柱折斷，且鋼筋屈曲，35個(gè)支承平臺(tái)倒塌，上層候車廳的柱根破壞，使大片地面陷落，最大沉陷約3m。全長(zhǎng)400m，月臺(tái)長(zhǎng)125m。橫截面在線線路方向上分分3層2跨和2層2跨兩種形式。。其中上層的受受害程度都很很嚴(yán)重，中柱柱出現(xiàn)了典型型的剪切破壞壞和斜向的龜龜裂。B.上澤站上澤車站C斷面破壞狀況況圖(西側(cè)面視圖)上澤車站G2斷面破壞狀況況圖(西側(cè)面視圖)上澤站中柱毀毀壞情況三宮車站全長(zhǎng)長(zhǎng)306m，為3層構(gòu)造。外部部尺寸為寬15～38m×高20～22m。C.三宮站三宮站的被害害情況和上澤澤站的情況相相似。以車站中央稍稍偏西的位置置為中心100m左右的區(qū)間內(nèi)內(nèi)，中柱的受受損程度很高高。在地鐵三宮站站約有20根中柱破壞；；地下一層的的電氣室和機(jī)機(jī)械室的鋼筋筋混凝土中柱柱破壞，鋼筋筋壓屈。三宮車站破壞壞狀況圖(西側(cè)面視圖)1.1.3汶川地震中公公路隧道的震震害震害類型：洞頂滾石，滑滑坡，洞門(mén)端端墻、翼墻開(kāi)開(kāi)裂襯砌裂縫（橫橫向、縱向、、斜向）二次襯砌開(kāi)裂裂，冒頂?shù)魤K塊、偏幫防水層破損，，洞周圍巖坍坍塌底鼓或鋪砌開(kāi)開(kāi)裂、隆起等等。典型工程：龍溪隧道、龍龍洞子隧道等等。洞頂滾石龍洞子隧道滑坡龍洞子隧道端墻開(kāi)裂洞門(mén)翼墻開(kāi)裂裂龍溪隧道-洞口裂縫龍溪隧道-洞內(nèi)塌方底鼓、冒頂、、防水層開(kāi)裂裂防水層開(kāi)裂底鼓、鋪砌破破壞縱縫橫縫斜縫1.1.4汶川地震中地地下鐵道的震震害區(qū)間隧道管片片錯(cuò)臺(tái)，裂損損等。錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)臺(tái)地下結(jié)構(gòu)震害害的可能性歷史上地震對(duì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的的破壞是客觀觀存在的的，潛潛在的地震災(zāi)災(zāi)害對(duì)城市區(qū)區(qū)域的生命財(cái)財(cái)產(chǎn)安全以及及地下結(jié)構(gòu)構(gòu)的安全使用用可能構(gòu)成嚴(yán)嚴(yán)重影響。大型地下結(jié)構(gòu)構(gòu)建設(shè)較晚，，迄今尚未遭遭遇強(qiáng)震，使使人誤以為地地下結(jié)構(gòu)抗震震能力都很好好。1.2地下結(jié)構(gòu)震害害的啟示地下結(jié)構(gòu)震害危害害的嚴(yán)重性需要原地修復(fù)復(fù)，技術(shù)難度度高，工期長(zhǎng)長(zhǎng)，費(fèi)用貴，，影響大2.地下建筑抗震震設(shè)計(jì)的基本本要求1)適用范圍14.1.1本章主要適用用于地下車庫(kù)庫(kù)、過(guò)街通道道、地下變電電站和地下空空間綜合體等等單建式地下下建筑。不包包括地下鐵道道、城市公路路隧道等。地下鐵道、城城市公路隧道道等屬于交通通運(yùn)輸類工程程。附建式地下建建筑(如地下室)的性能要求通常與地地面建筑一致。。2)抗震設(shè)防目標(biāo)標(biāo)地下建筑種類類較多，有的的抗震能力強(qiáng)強(qiáng)，有的使用用要求高，有有的服務(wù)于人人流、車流，，有的服務(wù)于于物資儲(chǔ)藏，，抗震設(shè)防應(yīng)應(yīng)有不同的要要求。14.1.4…….丙類鋼筋混凝凝土地下結(jié)構(gòu)構(gòu)的抗震等級(jí)級(jí)，6、7度時(shí)不應(yīng)低于于四級(jí)，8、9度時(shí)不宜低于于三級(jí)。乙類類鋼筋混凝土土地下結(jié)構(gòu)的的抗震等級(jí)，，6、7度時(shí)不宜低于于三級(jí)，8、9度時(shí)不宜低于于二級(jí)。要求略高于高高層建筑的地地下室，因?yàn)闉椋海?）單建式地下下建筑在附近近房屋倒塌后后，有的仍常常有繼續(xù)服役役的必要，其其使用功能的的重要性常高于高高層建筑地下下室；（2）地下結(jié)構(gòu)一一般不宜帶縫縫工作，尤其其是在地下水水位較高的場(chǎng)場(chǎng)合，其整體體性要求高于于地面建筑；；（3）地下空間通通常是不可再再生的資源，，損壞后一般般需原地修復(fù)復(fù)，難度較大大。3)地下建筑的規(guī)規(guī)則性及優(yōu)化化選型14.1.3地下建筑筑的建筑布置置應(yīng)力求簡(jiǎn)單單、對(duì)稱、規(guī)規(guī)則、平順；；橫剖面的形形狀和構(gòu)造不不宜沿縱向突突變。與地面建筑的的區(qū)別是，地地下建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)尤應(yīng)力求體型簡(jiǎn)單，縱向、橫向向外形平順，剖面形狀、、構(gòu)件組成和和尺寸不沿縱縱向經(jīng)常變化化，使其抗震震能力提高。。地下建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具有有等強(qiáng)度概念。阪神地震中中，地鐵車站站中柱兩端發(fā)發(fā)生的嚴(yán)重剪剪切破壞，提提醒我們?cè)诠すこ淘O(shè)計(jì)時(shí)不能忽視柱的的剪切強(qiáng)度和和延性設(shè)計(jì)，，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)側(cè)向力構(gòu)件。。3.地下建筑抗震震計(jì)算的要點(diǎn)點(diǎn)3.1可不進(jìn)行抗震震計(jì)算分析的的范圍14.2.1按本章要求采采取抗震措施施的下列地下下建筑，可不不進(jìn)行地震作作用計(jì)算：1、7度Ⅰ、、Ⅱ類場(chǎng)地的的丙類地下建建筑。主要參考唐山山地震中天津津市人防工程程震害調(diào)查的資料2、8度（0.20g））Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)場(chǎng)地時(shí)，不超超過(guò)二層、體型規(guī)則則的中小跨度度丙類地下建建筑。這類結(jié)構(gòu)剛度度相對(duì)較大，，抗震能力相相對(duì)較強(qiáng)，具有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)時(shí)也可不進(jìn)進(jìn)行地震作用用計(jì)算。3.2地下建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的抗震計(jì)算算模型1）周圍土層的的模擬可采用地基彈彈簧模型，或或建立土層—結(jié)構(gòu)模型。巖土材料的動(dòng)動(dòng)力性能對(duì)其宜通過(guò)試試驗(yàn)測(cè)定對(duì)軟土介紹Davidenkov模型及土動(dòng)力特性性參數(shù)的估算算式2）結(jié)構(gòu)模型的的選取周圍地層分布布均勻、規(guī)則則且具有對(duì)稱稱軸的縱向較較長(zhǎng)的地下建建筑，結(jié)構(gòu)分分析可選擇平平面應(yīng)變分析析模型，并采采用反應(yīng)位移移法或等效水水平地震加速速度法、等效效側(cè)力法計(jì)算算。一般適用于離離端部或接頭頭的距離達(dá)1.5倍結(jié)構(gòu)跨度以以上的地下建建筑結(jié)構(gòu)斷面面。端部、接頭及及不符合上款款條件的地下下結(jié)構(gòu)，應(yīng)選選用空間結(jié)構(gòu)構(gòu)模型，采用用時(shí)程分析法法計(jì)算。3)計(jì)算范圍和邊邊界條件平面問(wèn)題分析析中，側(cè)向邊邊界宜取至離離相鄰結(jié)構(gòu)邊邊墻至少3倍結(jié)構(gòu)寬度處處，底部邊界界取至基巖表表面，或經(jīng)時(shí)時(shí)程分析試算算結(jié)果趨于穩(wěn)穩(wěn)定的深度處處，上部邊界界取至地表。。計(jì)算的邊界界條件，側(cè)向向邊界可采用用自由場(chǎng)邊界界，底部邊界界離結(jié)構(gòu)底面面較遠(yuǎn)時(shí)可取取為可輸入地地震加速度時(shí)時(shí)程的固定邊邊界，地表為為自由變形邊邊界?？臻g問(wèn)題分析析中，側(cè)向邊邊界位置可與與平面問(wèn)題分分析相同，縱縱向邊界可取取為離結(jié)構(gòu)端端部2倍結(jié)構(gòu)斷面積積當(dāng)量寬度處處的橫剖面，，邊界條件均均宜為自由場(chǎng)場(chǎng)邊界。4)地面下設(shè)計(jì)基基本地震加速速度值地面下設(shè)計(jì)基基本地震加速速度值隨深度度逐漸減小已已被公認(rèn)，但但取值各國(guó)有有不同的規(guī)定定。一般在基巖面面取地表的1/2，基巖至地表表按深度線性性內(nèi)插。我國(guó)《水工建筑物抗抗震設(shè)計(jì)規(guī)范范》規(guī)定地表為基基巖面時(shí)，基基巖面下50m及其以下部部位的設(shè)計(jì)計(jì)地震加速速度代表值值取為地表表規(guī)定值的的1/2，不足50m處可按深度度由線性插插值確定。。對(duì)于進(jìn)行地地震安全性性評(píng)價(jià)的場(chǎng)場(chǎng)地，則可可根據(jù)具體體情況按一一維或多維維的模型進(jìn)進(jìn)行分析后后確定其減減小的規(guī)律律。5)地震作用的的方向一般可僅考考慮沿結(jié)構(gòu)構(gòu)橫向的水水平地震作作用。對(duì)于于地下空間間綜合體等等體型復(fù)雜雜的地下建建筑結(jié)構(gòu)，，宜同時(shí)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)橫橫向和縱向向的水平地地震作用。。地下空間綜綜合體等體體型復(fù)雜的的地下結(jié)構(gòu)構(gòu)，8、9度時(shí)尚宜計(jì)計(jì)及豎向地地震作用。。體型復(fù)雜的的地下空間間結(jié)構(gòu)或地地基地質(zhì)條條件復(fù)雜的的長(zhǎng)條形地地下結(jié)構(gòu)，，都易產(chǎn)生生不均勻沉沉降并導(dǎo)致致結(jié)構(gòu)裂損損，因而即即使設(shè)防烈烈度為7度，必要時(shí)時(shí)也需考慮慮豎向地震震作用效應(yīng)應(yīng)的綜合作作用。3.3地下建筑結(jié)結(jié)構(gòu)抗震計(jì)計(jì)算的方法法進(jìn)行多遇地震作用用下的截面面承載力和和構(gòu)件變形形抗震驗(yàn)算算時(shí)，平面面問(wèn)題可采采用彈性時(shí)程分析法，反反應(yīng)位移法法、等效水水平地震加加速度法或或等效側(cè)力力法計(jì)算。?？臻g問(wèn)題題可采用彈性時(shí)程分分析法。進(jìn)行罕遇地震作用下的抗抗震變形驗(yàn)驗(yàn)算時(shí)，可可采用彈塑性時(shí)程程分析法，或簡(jiǎn)化方方法計(jì)算結(jié)結(jié)構(gòu)的彈塑塑性變形。。3.4地下建筑的的抗震驗(yàn)算算地下建筑應(yīng)應(yīng)進(jìn)行多遇遇地震作用用下的截面面承載力和和構(gòu)件變形形的抗震驗(yàn)驗(yàn)算。對(duì)于不規(guī)則則的地下建建筑以及地地下變電站站和地下空空間綜合體體等，尚應(yīng)應(yīng)進(jìn)行罕遇遇地震作用用下的抗震震變形驗(yàn)算算；混凝土土結(jié)構(gòu)彈塑塑性層間位位移角限值值[θp]宜取1/250。。液化地基中中的地下建建筑，應(yīng)驗(yàn)驗(yàn)算土層液液化時(shí)的抗抗浮穩(wěn)定性性。液化土土層對(duì)地下下連續(xù)墻和和抗拔樁等等的摩阻力力，宜根據(jù)實(shí)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)貫入入錘擊數(shù)與與臨界標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)貫入錘擊擊數(shù)的比值值,確定液化折折減系數(shù)。。4.地下建筑的的抗震構(gòu)造造措施1)對(duì)框架結(jié)構(gòu)構(gòu)，注意使中柱剛度度滿足抗震構(gòu)造要求，，包括：宜采用現(xiàn)澆澆結(jié)構(gòu);最小尺寸應(yīng)應(yīng)不低于同同類地面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件;中柱縱向鋼鋼筋的最小總配筋筋率，應(yīng)增增加0.2%;中柱與梁或或頂板、中中間樓板及及底板連接接處的箍筋筋應(yīng)加密，，其范圍和和構(gòu)造與地地面框架結(jié)結(jié)構(gòu)柱相同同。2)對(duì)框架結(jié)構(gòu)構(gòu)，注意控制制頂側(cè)墻等的開(kāi)孔面面積及構(gòu)造造樓板開(kāi)孔時(shí)時(shí)