第五章-地下建筑的抗震设计

地下建筑的抗震设计地下结构的震害及其启示地下建筑抗震设计的基本要求地下建筑抗震计算的要点地下建筑的抗震构造措施内容1.1地下结构的震害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，地下结构、地铁震害的报道非常少见，且损坏程度较轻。1.地下结构的震害及其启示1975年海城地震（ML7.3）中，营口市（8度区）150多公里管道破坏372处，配水管网大量漏水，不能保证正常的供水量和水压，有的地方甚至供水中断，平均震害率为2.4处/km，经一个多月抢修才恢复正常供水；盘锦地区（7度区）直埋大口径钢管66.5km，焊口断裂21处，破坏率达0.31处/km；丝扣联结的小口径管道破坏率为16处/km；铸铁管道为0.8处/km。1976年唐山地震（ML7.8）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。开滦煤矿井巷工程总长17.7万m，主体结构震害轻微；喷锚、璇砌工艺支护比梯形支架震害轻；断面形状和尺寸或坡度变化、拐弯、不同支护材料交接处等刚度变化的薄弱部位震害较重；地质条件复杂地段震害重；采空区附近震害重；停电水淹加重震害。唐山地区烈度11度，除陡河沿岸的人防次干道破坏较重（拱顶未倒塌）外，仅个别薄弱部位出现裂缝；宁河、汉沽区烈度9度，塘沽烈度8度，人防工程大多位于滨海相沉积层，除表层土强度稍强外均为淤泥质土或粉土，其人防地道裂缝较大，普遍每隔12m左右出现宽1~3cm的环向裂缝，少数工事出现纵向裂缝，并在接头转角处多处发生断裂和错动。因地下水位很高又没有排水设施，结构开裂和部分防水砂浆抹面脱落造成漏水，以致工事内积水严重，影响正常使用。个别地段的工事底部有喷砂冒水现象，未覆土的人防通道有的局部坍塌。1985年墨西哥地震（ML8.1）中，地震引起不同质材的各种管道均有破坏（其中包括钢管道），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。1.1.2阪神地震中地下铁道的震害1995年1月17日发生在日本兵库县南部的里氏7.2级的“阪神地震”最具有代表性。在这次地震中，神户市内采用明挖法建造、上覆土层较浅的地下铁道、地下停车场、地下商业街等大量地下结构都发生了严重的破坏。A.大开站地铁大开站，长120m，侧式站台。有两种断面类型。标准段断面1-1为站台部分，是宽17m×高7.2m的1层2跨结构；中央大厅段断面2-2为宽26m×高10m的2层4跨结构，地下一层是检票大厅，地下二层为站台。底板、侧墙和中柱为现浇钢筋混凝土结构。大开站覆土2m，约有30根截面0.4m×1.0m间距3.5m的中柱折断，且钢筋屈曲，35个支承平台倒塌，上层候车厅的柱根破坏，使大片地面陷落，最大沉陷约3m。大开地铁车站震害照片及其引起的断面沉降全长400m，月台长125m。横截面在线路方向上分3层2跨和2层2跨两种形式。其中上层的受害程度都很严重，中柱出现了典型的剪切破坏和斜向的龟裂。B.上泽站上泽车站C断面破坏状况图(西侧面视图)上泽车站G2断面破坏状况图(西侧面视图)上泽站中柱毁坏情况三宫车站全长306m，为3层构造。外部尺寸为宽15～38m×高20～22m。C.三宫站三宫站的被害情况和上泽站的情况相似。以车站中央稍偏西的位置为中心100m左右的区间内，中柱的受损程度很高。在地铁三宫站约有20根中柱破坏；地下一层的电气室和机械室的钢筋混凝土中柱破坏，钢筋压屈。三宫车站破坏状况图(西侧面视图)1.1.3汶川地震中公路隧道的震害震害类型：洞顶滚石，滑坡，洞门端墙、翼墙开裂衬砌裂缝（横向、纵向、斜向）二次衬砌开裂，冒顶掉块、偏帮防水层破损，洞周围岩坍塌底鼓或铺砌开裂、隆起等。典型工程：龙溪隧道、龙洞子隧道等。洞顶滚石龙洞子隧道滑坡龙洞子隧道端墙开裂洞门翼墙开裂龙溪隧道-洞口裂缝龙溪隧道-洞内塌方底鼓、冒顶、防水层开裂防水层开裂底鼓、铺砌破坏纵缝横缝斜缝1.1.4汶川地震中地下铁道的震害区间隧道管片错台，裂损等。错台错台错台地下结构震害的可能性历史上地震对地下结构的破坏是客观存在的，潜在的地震灾害对城市区域的生命财产安全以及地下结构的安全使用可能构成严重影响。大型地下结构建设较晚，迄今尚未遭遇强震，使人误以为地下结构抗震能力都很好。1.2地下结构震害的启示地下结构震害危害的严重性需要原地修复，技术难度高，工期长，费用贵，影响大2.地下建筑抗震设计的基本要求1)适用范围14.1.1本章主要适用于地下车库、过街通道、地下变电站和地下空间综合体等单建式地下建筑。不包括地下铁道、城市公路隧道等。地下铁道、城市公路隧道等属于交通运输类工程。附建式地下建筑(如地下室)的性能要求通常与地面建筑一致。2)抗震设防目标地下建筑种类较多，有的抗震能力强，有的使用要求高，有的服务于人流、车流，有的服务于物资储藏，抗震设防应有不同的要求。14.1.4…….丙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级，6、7度时不应低于四级，8、9度时不宜低于三级。乙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级，6、7度时不宜低于三级，8、9度时不宜低于二级。要求略高于高层建筑的地下室，因为：（1）单建式地下建筑在附近房屋倒塌后，有的仍常有继续服役的必要，其使用功能的重要性常高于高层建筑地下室；（2）地下结构一般不宜带缝工作，尤其是在地下水位较高的场合，其整体性要求高于地面建筑；（3）地下空间通常是不可再生的资源，损坏后一般需原地修复，难度较大。3)地下建筑的规则性及优化选型14.1.3地下建筑的建筑布置应力求简单、对称、规则、平顺；横剖面的形状和构造不宜沿纵向突变。与地面建筑的区別是，地下建筑结构尤应力求体型简单，纵向、横向外形平顺，剖面形状、构件组成和尺寸不沿纵向经常变化，使其抗震能力提高。地下建筑结构设计应具有等强度概念。阪神地震中，地铁车站中柱两端发生的严重剪切破坏，提醒我们在工程设计时不能忽视柱的剪切强度和延性设计，同时应加强结构的抗侧向力构件。3.地下建筑抗震计算的要点3.1可不进行抗震计算分析的范围14.2.1按本章要求采取抗震措施的下列地下建筑，可不进行地震作用计算：1、7度Ⅰ、Ⅱ类场地的丙类地下建筑。主要参考唐山地震中天津市人防工程震害调查的资料2、8度（0.20g）Ⅰ、Ⅱ类场地时，不超过二层、体型规则的中小跨度丙类地下建筑。这类结构刚度相对较大，抗震能力相对较強，具有设计经验时也可不进行地震作用计算。3.2地下建筑结构的抗震计算模型1）周围土层的模拟可采用地基弹簧模型，或建立土层—结构模型。岩土材料的动力性能对其宜通过试验测定对软土介绍Davidenkov模型及土动力特性参数的估算式2）结构模型的选取周围地层分布均匀、规则且具有对称轴的纵向较长的地下建筑，结构分析可选择平面应变分析模型，并采用反应位移法或等效水平地震加速度法、等效侧力法计算。一般适用于离端部或接头的距离达1.5倍结构跨度以上的地下建筑结构断面。端部、接头及不符合上款条件的地下结构，应选用空间结构模型，采用时程分析法计算。3)计算范围和边界条件平面问题分析中，侧向边界宜取至离相邻结构边墙至少3倍结构宽度处，底部边界取至基岩表面，或经时程分析试算结果趋于稳定的深度处，上部边界取至地表。计算的边界条件，侧向边界可采用自由场边界，底部边界离结构底面较远时可取为可输入地震加速度时程的固定边界，地表为自由变形边界。空间问题分析中，侧向边界位置可与平面问题分析相同，纵向边界可取为离结构端部2倍结构断面积当量宽度处的横剖面，边界条件均宜为自由场边界。4)地面下设计基本地震加速度值地面下设计基本地震加速度值随深度逐渐减小已被公认，但取值各国有不同的规定。一般在基岩面取地表的1/2，基岩至地表按深度线性内插。我国《水工建筑物抗震设计规范》规定地表为基岩面时，基岩面下50m及其以下部位的设计地震加速度代表值取为地表规定值的1/2，不足50m处可按深度由线性插值确定。对于进行地震安全性评价的场地，则可根据具体情况按一维或多维的模型进行分析后确定其减小的规律。5)地震作用的方向一般可仅考虑沿结构横向的水平地震作用。对于地下空间综合体等体型复杂的地下建筑结构，宜同时计算结构横向和纵向的水平地震作用。地下空间综合体等体型复杂的地下结构，8、9度时尚宜计及竖向地震作用。体型复杂的地下空间结构或地基地质条件复杂的长条形地下结构，都易产生不均匀沉降并导致结构裂损，因而即使设防烈度为7度，必要时也需考虑竖向地震作用效应的综合作用。3.3地下建筑结构抗震计算的方法进行多遇地震作用下的截面承载力和构件变形抗震验算时，平面问题可采用弹性时程分析法，反应位移法、等效水平地震加速度法或等效侧力法计算。空间问题可采用弹性时程分析法。进行罕遇地震作用下的抗震变形验算时，可采用弹塑性时程分析法，或简化方法计算结构的弹塑性变形。3.4地下建筑的抗震验算地下建筑应进行多遇地震作用下的截面承载力和构件变形的抗震验算。对于不规则的地下建筑以及地下变电站和地下空间综合体等，尚应进行罕遇地震作用下的抗震变形验算；混凝土结构弹塑性层间位移角限值[θp]宜取1/250。液化地基中的地下建筑，应验算土层液化时的抗浮稳定性。液化土层对地下连续墙和抗拔桩等的摩阻力，宜根据实测的标准贯入锤击数与临界标准贯入锤击数的比值,确定液化折减系数。4.地下建筑的抗震构造措施1)对框架结构，注意使中柱刚度滿足抗震构造要求，包括：宜采用现浇结构;最小尺寸应不低于同类地面结构构件;中柱纵向钢筋的最小总配筋率，应增加0.2%;中柱与梁或顶板、中间楼板及底板连接处的箍筋应加密，其范围和构造与地面框架结构柱相同。2)对框架结构，注意控制顶侧墙等的开孔面积及构造楼板开孔时，孔洞宽度应不大于总長度的30%；洞口的布置宜使结构质量和刚度的仍较均匀、对称，避免局部突变。3)周围土体和地基存在液化土层时，应采取下列措施：(1)对液化土层采取注浆加固和换土等消除或减轻液化影响的措施。(2)进行地下结构液化上浮验算，釆取增设抗拔桩、配置压重等相应的抗浮措施。(3)存在液化土薄夹层或施工中深度大于20m的地下连续墙围护结构遇到液化土层时，可不做地基抗液化处理，但其承载力及抗浮稳定性验算应计入土层液化引起的土压力增加及摩阻力降低等因素的影响。4)位于岩石中的地下建筑，应采取下列抗震措施：(1)口部通道和未经注浆加固处理的断层破碎带区段采用复合式支护结构时，内衬结构应采用钢筋混凝土衬砌，不得采用素混凝土衬砌。(2)采用离壁式衬砌时，内衬结构应在拱墙相交处设置水平撑抵紧围岩。(3)采用钻爆法施工时，初期支护和围岩地层间应密实回填。干砌块石回填时应注浆加强。