地下建筑的抗震设计

地下建筑的抗震设计第十八讲2010.10.15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

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。全长400m，月台长125m。横截面在线线路方向上分分3层2跨和2层2跨两种形式。。其中上层的受受害程度都很很严重，中柱柱出现了典型型的剪切破坏坏和斜向的龟龟裂。B.上泽站上泽车站C断面破坏状况况图(西侧面视图)上泽车站G2断面破坏状况况图(西侧面视图)上泽站中柱毁毁坏情况三宫车站全长长306m，为3层构造。外部部尺寸为宽15～38m×高20～22m。C.三宫站三宫站的被害害情况和上泽泽站的情况相相似。以车站中央稍稍偏西的位置置为中心100m左右的区间内内，中柱的受受损程度很高高。在地铁三宫站站约有20根中柱破坏；；地下一层的的电气室和机机械室的钢筋筋混凝土中柱柱破坏，钢筋筋压屈。三宫车站破坏坏状况图(西侧面视图)1.1.3汶川地震中公公路隧道的震震害震害类型：洞顶滚石，滑滑坡，洞门端端墙、翼墙开开裂衬砌裂缝（横横向、纵向、、斜向）二次衬砌开裂裂，冒顶掉块块、偏帮防水层破损，，洞周围岩坍坍塌底鼓或铺砌开开裂、隆起等等。典型工程：龙溪隧道、龙龙洞子隧道等等。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、、防水层开裂裂防水层开裂底鼓、铺砌破破坏纵缝横缝斜缝1.1.4汶川地震中地地下铁道的震震害区间隧道管片片错台，裂损损等。错台错台错台地下结构震害害的可能性历史上地震对对地下结构的的破坏是客观观存在的的，潜潜在的地震灾灾害对城市区区域的生命财财产安全以及及地下结构构的安全使用用可能构成严严重影响。大型地下结构构建设较晚，，迄今尚未遭遭遇强震，使使人误以为地地下结构抗震震能力都很好好。1.2地下结构震害害的启示地下结构震害危害害的严重性需要原地修复复，技术难度度高，工期长长，费用贵，，影响大2.地下建筑抗震震设计的基本本要求1)适用范围14.1.1本章主要适用用于地下车库库、过街通道道、地下变电电站和地下空空间综合体等等单建式地下下建筑。不包包括地下铁道道、城市公路路隧道等。地下铁道、城城市公路隧道道等属于交通通运输类工程程。附建式地下建建筑(如地下室)的性能要求通常与地地面建筑一致。。2)抗震设防目标标地下建筑种类类较多，有的的抗震能力强强，有的使用用要求高，有有的服务于人人流、车流，，有的服务于于物资储藏，，抗震设防应应有不同的要要求。14.1.4…….丙类钢筋混凝凝土地下结构构的抗震等级级，6、7度时不应低于于四级，8、9度时不宜低于于三级。乙类类钢筋混凝土土地下结构的的抗震等级，，6、7度时不宜低于于三级，8、9度时不宜低于于二级。要求略高于高高层建筑的地地下室，因为为：（1）单建式地下下建筑在附近近房屋倒塌后后，有的仍常常有继续服役役的必要，其其使用功能的的重要性常高于高高层建筑地下下室；（2）地下结构一一般不宜带缝缝工作，尤其其是在地下水水位较高的场场合，其整体体性要求高于于地面建筑；；（3）地下空间通通常是不可再再生的资源，，损坏后一般般需原地修复复，难度较大大。3)地下建筑的规规则性及优化化选型14.1.3地下建筑筑的建筑布置置应力求简单单、对称、规规则、平顺；；横剖面的形形状和构造不不宜沿纵向突突变。与地面建筑的的区別是，地地下建筑结构构尤应力求体型简单，纵向、横向向外形平顺，剖面形状、、构件组成和和尺寸不沿纵纵向经常变化化，使其抗震震能力提高。。地下建筑结构构设计应具有有等强度概念。阪神地震中中，地铁车站站中柱两端发发生的严重剪剪切破坏，提提醒我们在工工程设计时不能忽视柱的的剪切强度和和延性设计，，同时应加强强结构的抗侧侧向力构件。。3.地下建筑抗震震计算的要点点3.1可不进行抗震震计算分析的的范围14.2.1按本章要求采采取抗震措施施的下列地下下建筑，可不不进行地震作作用计算：1、7度Ⅰ、、Ⅱ类场地的的丙类地下建建筑。主要参考唐山山地震中天津津市人防工程程震害调查的资料2、8度（0.20g））Ⅰ、Ⅱ类场场地时，不超超过二层、体型规则则的中小跨度度丙类地下建建筑。这类结构刚度度相对较大，，抗震能力相相对较強，具有设计经验验时也可不进进行地震作用用计算。3.2地下建筑结构构的抗震计算算模型1）周围土层的的模拟可采用地基弹弹簧模型，或或建立土层—结构模型。岩土材料的动动力性能对其宜通过试试验测定对软土介绍Davidenkov模型及土动力特性性参数的估算算式2）结构模型的的选取周围地层分布布均匀、规则则且具有对称称轴的纵向较较长的地下建建筑，结构分分析可选择平平面应变分析析模型，并采采用反应位移移法或等效水水平地震加速速度法、等效效侧力法计算算。一般适用于离离端部或接头头的距离达1.5倍结构跨度以以上的地下建建筑结构断面面。端部、接头及及不符合上款款条件的地下下结构，应选选用空间结构构模型，采用用时程分析法法计算。3)计算范围和边边界条件平面问题分析析中，侧向边边界宜取至离离相邻结构边边墙至少3倍结构宽度处处，底部边界界取至基岩表表面，或经时时程分析试算算结果趋于稳稳定的深度处处，上部边界界取至地表。。计算的边界界条件，侧向向边界可采用用自由场边界界，底部边界界离结构底面面较远时可取取为可输入地地震加速度时时程的固定边边界，地表为为自由变形边边界。空间问题分析析中，侧向边边界位置可与与平面问题分分析相同，纵纵向边界可取取为离结构端端部2倍结构断面积积当量宽度处处的横剖面，，边界条件均均宜为自由场场边界。4)地面下设计基基本地震加速速度值地面下设计基基本地震加速速度值随深度度逐渐减小已已被公认，但但取值各国有有不同的规定定。一般在基岩面面取地表的1/2，基岩至地表表按深度线性性内插。我国《水工建筑物抗抗震设计规范范》规定地表为基基岩面时，基基岩面下50m及其以下部部位的设计计地震加速速度代表值值取为地表表规定值的的1/2，不足50m处可按深度度由线性插插值确定。。对于进行地地震安全性性评价的场场地，则可可根据具体体情况按一一维或多维维的模型进进行分析后后确定其减减小的规律律。5)地震作用的的方向一般可仅考考虑沿结构构横向的水水平地震作作用。对于于地下空间间综合体等等体型复杂杂的地下建建筑结构，，宜同时计计算结构横横向和纵向向的水平地地震作用。。地下空间综综合体等体体型复杂的的地下结构构，8、9度时尚宜计计及竖向地地震作用。。体型复杂的的地下空间间结构或地地基地质条条件复杂的的长条形地地下结构，，都易产生生不均匀沉沉降并导致致结构裂损损，因而即即使设防烈烈度为7度，必要时时也需考虑虑竖向地震震作用效应应的综合作作用。3.3地下建筑结结构抗震计计算的方法法进行多遇地震作用用下的截面面承载力和和构件变形形抗震验算算时，平面面问题可采采用弹性时程分析法，反反应位移法法、等效水水平地震加加速度法或或等效侧力力法计算。。空间问题题可采用弹性时程分分析法。进行罕遇地震作用下的抗抗震变形验验算时，可可采用弹塑性时程程分析法，或简化方方法计算结结构的弹塑塑性变形。。3.4地下建筑的的抗震验算算地下建筑应应进行多遇遇地震作用用下的截面面承载力和和构件变形形的抗震验验算。对于不规则则的地下建建筑以及地地下变电站站和地下空空间综合体体等，尚应应进行罕遇遇地震作用用下的抗震震变形验算算；混凝土土结构弹塑塑性层间位位移角限值值[θp]宜取1/250。。液化地基中中的地下建建筑，应验验算土层液液化时的抗抗浮稳定性性。液化土土层对地下下连续墙和和抗拔桩等等的摩阻力力，宜根据实测的标准贯入入锤击数与与临界标准准贯入锤击击数的比值值,确定液化折折减系数。。4.地下建筑的的抗震构造造措施1)对框架结构构，注意使中柱刚度度滿足抗震构造要求，，包括：宜采用现浇浇结构;最小尺寸应应不低于同同类地面结结构构件;中柱纵向钢钢筋的最小总配筋筋率，应增增加0.2%;中柱与梁或或顶板、中中间楼板及及底板连接接处的箍筋筋应加密，，其范围和和构造与地地面框架结结构柱相同同。2)对框架结构构，注意控制制顶侧墙等的开孔面面积及构造造楼板开孔时时