《工程结构抗震设计》课件 第10章-地下建筑抗震设计

2023年第10章地下建筑抗震设计工程结构抗震设计地下建筑的震害分析概述1地下结构抗震设计原则地下结构的抗震计算方法234565地下结构的抗震构造措施10.1概述地下结构的意义

近年来，为拓展城市空间，地下空间的发展日益受到重视。地下结构在水利水电、公路、铁路交通运输以及城市建设中获得广泛应用，地下结构在地震时的安全问题对于人民生命财产的保障以及城市生活的正常运行有极为重要的意义。石峡水库饮水隧道口深圳地铁建设现场10.1概述地下结构抗震研究的演进

以往的抗震研究主要集中在地上建筑，地下结构受地震作用引起严重破坏的相关资料也较少，因此地下结构的工程抗震研究及设计长期未得到足够的重视。近些年来，发生在世界范围内的多次强地震对地下结构造成了严重破坏，从而引起了世界范围内地震工程专家和工程师们对地下结构抗震问题的关注，地下结构的抗震研究逐渐成为目前地震工程界的研究热点。10.1概述

随着2011年我国住房和城乡建设部《关于印发<市政公共设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）>的通知》以及《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的颁布，标志着我国地铁地下结构的抗震设计向前迈了一大步。10.2地下建筑的震害分析10.2.1地下建筑震害调查

1995年阪神地震对地铁结构、铁道车站造成了严重的破坏，尤其是大开站和上泽站破坏最为严重，一半以上的中柱倒塌，顶板塌陷，侧墙出现大量宽大裂纹，造成地铁上方的国道路基大范围沉陷。

大开站中柱与顶板震害情况大开站破坏造成上覆路面的沉陷龙溪隧道进口拱顶二衬坍落

汶川大地震造成位于震中附近的都江堰-汶川公路多座隧道严重受损，其隧道变形破坏的基本类型可以概括为洞口边坡崩塌与滑塌、洞门裂损、衬砌及围岩坍塌、衬砌开裂及错位、底板开裂及隆起、初期支护变形及开裂等。龙洞子隧道出口边坡崩滑与崩塌龙溪隧道进口底板地基强烈隆起10.2.2地下结构震害特征

1.地下结构的地震破坏程度一般比地面结构轻。2.深埋地下结构破坏程度一般比浅埋结构轻。3.土中地下结构比岩石中结构更容易遭到破坏。4.对于岩石中的地下隧道而言，采取措施提高衬砌和围岩的整体性可以有效提高隧道的抗震坏能力。5.在对称动荷载作用下，隧道结构要更为稳定。如果只是加大衬砌的厚度和刚度，而不对周围软弱围岩进行加强，将会导致衬砌中产生过大的内力。10.2.2地下结构震害特征

6.相同的条件下，地下结构的震害程度可能取决于地面峰值加速度和地面峰值速度的大小。7.强震持时是地下结构破坏程度的重要影响因素。8.地震波高频分量可能会导致岩石和混凝土的剥裂，但这仅对震中距很小的地下结构有显著影响。9.地下结构尺寸相对于波长较小时，其对周围地基地震动的影响一般很小，若地震波波长介于隧道口径的1-4倍，则地震动将会被明显放大。10.地下隧道出入地面处可能会因边坡失稳而发生严重破坏。10.2.3地下结构的震害机理地下结构的破坏形式和程度受众多因素的影响，而根据引起破坏的原因和表现出的破坏特点，一般将地下结构的地震震害机理归纳为如下两种：围岩失稳引起的破坏与地震惯性力引起的破坏。围岩失稳引起的破坏

围岩失稳破坏指地下结构周围岩土体介质在地震往复荷载作用下发生失稳或破坏（如液化、边坡失稳、断层滑移等），从而丧失了其原有的对地下建筑物的约束作用或承载能力，最终导致地下结构功能的丧失甚至破坏。地震动破坏

地震动破坏主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏。该类型的破坏多数发生在浅埋或明挖的地下结构，在这些地方地震惯性力的作用表现得比较明显。地下结构地震破坏机理及埋深对破坏程度的影响

对于相同的大地震动而言，如果仅论及结构的惯性力，地下结构要比地面结构安全得多。这是因为地下结构处于周围地层的约束之中，并与地层一起运动。因而，地下结构在地震运动过程中，仅仅按照其相对于地层的质量密度和刚度分担一部分地震变形和荷载，而不像地面结构那样，承担全部的惯性力。

另外，震害调查还表明，浅埋结构的地震破坏比深埋结构发生的频度和程度都要高许多，因为在浅埋地段可能受到上述双重类型的破坏作用。

地下结构与地面结构振动特性的区别

1.地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著，结构的动力反应一般不明显表观出自振特性的影响。地面结构的动力反应则明显表现出自振特性，特别是低价模态的影响。2.地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般很小（指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况），而地面结构的存在则对该处自由场的地震动发生较大的扰动。

地下结构与地面结构振动特性的区别

3.地下结构的振动形态受地震波入射方向变化的影响很大。地震波的入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化。地面结构的振动形态受地震波入射方向的影响相对较小，例如，即使如拱坝这样的半埋设结构，也只有正对称和反对称两种基本振动形态，地震波入射方向在某一范国内变化时，主要只发生正对称的振动，在另一范围内变化时，主要只发生反对称振动。4.地下结构在振动中各点的相位差别十分明显。地面结构各点在振动中的相位差不很明显。

地下结构与地面结构振动特性的区别

5.—般而言，地下结构在振动中的主要应变与地震加速度大小的联系不很明显，但与周围岩土介质在地震作用下的应变或变形的关系密切。对地面结构来说，地震加速度则是影响结构动力反应大小的一个重要因素。6.地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显。对地面结构来说，埋深是影响地震反应大小的一个重要因素。7.对地下结构和地面结构来说，它们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响，但影响的方式和影响的程度则是不相同的。10.3地下结构抗震设计原则10.3.1地下结构抗震设计的基本原则

1.在地下结构抗震设计中，重要的是保证结构在整体上的安全，保证人身及重要的设备不受损害，个别部位出现裂缝或崩坏是容许的。因为与其使地震作用下的地下结构完全不受损不受震害而大大增加造价，不如在震后消除不伤元气的震害更为合理。

2.就结构抗震来说，出现裂缝和塑性变形有一定的积极意义。一方面，吸收振动能量；另方面增加了结构柔性，增大了结构的自振周期，使动力系数降低，地震力减小。10.3.1地下结构抗震设计的基本原则

3.抗震设计的目的是使结构具有必要的强度，良好的延性。强度和延性是钢筋混凝土结构抗震的基点。实际产生的地震力，可能超过设计中规定的地震力，当结构物的强度不足以承受大的地震力时，延性对结构的抗震起重要作用，它可以弥补强度之不足。也就是说，即使结构物弹性阶段的抗力不大，但只要构件在屈服后仍具有稳定的变形能力，就能继续吸收输人的振动能量。经济的、节省材料的抗震结构就是根据这--原理设计出来的。

10.3.1地下结构抗震设计的基本原则

4.使结构具有整体性和连续性，成为两次超静定结构。这种结构整体刚度大，构件间变形协调，能产生更多的塑性铰，吸收更多的振动能量，而且能消除局部的严重破坏。

5.抗地震的地下结构，除了采用现浇整体的钢筋混凝土结构外，为了施工工业化，也不限制使用装配式钢筋混凝土结构。关键是采取必要的措施，加强构件间的联系，使之整体化。10.3.1地下结构抗震设计的基本原则

原则上讲，主要针对地面结构提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则对地下结构来说，应适当提高标准。因为对地下结构来说，一旦在相当于设防地震（中震）的作用下发生损坏，一般说修复相对是比较困难的，代价也较高。10.3.2现浇整体钢筋混凝土结构的抗震设计原则

1.强柱弱梁的原则，容许塑性铰出现在梁内（称梁铰），不容许塑性铰出现在柱内（称柱铰）。2.梁的弯曲破坏发生在剪切破坏之前。只有在梁的抗剪强度得到保证的情况下，才能正常地发挥梁的抗弯强度，形成塑性铰，表现出良好的延性。梁的抗震性能研究表明，具有足够的约束箍筋的双筋梁，可在不失强度的前提下获得相当大的延性。3.防止构件间的节点提前破坏。节点是构件间传递内力的途径，也是保证结构整体性与连续性的重要条件，所以设计和施工中要重视构件间的节点连接。造成节点破坏的原因是在节点处产生过大的位移和转动。因此要处理好钢筋的端部锚固和钢筋的搭接，必要时在节点处设置加固的箍筋，设置梗斜也是加强节点的有效措施。10.3.3装配式钢筋混凝土结构的设计原则

1.对装配式结构的节点应当有更高的要求，对大构件的节点应该通过钢筋的焊接，使之锚固牢靠，并作整浇处理。使得节点具有足够的强度和刚度，防止拉断和剪坏，以保证轴力、剪力的传递。但是要求节点做到与构件本身相同的强度来传递弯矩，可能有实际困难。2.在制造、运输、安装和可能条件下，把预制构件做得大一些，可以减少连接的节点数，有利于结构的整体性。在条件许可时，区间隧道采用整体环节段式衬砌，就可以从根本上避免结构横截面内复杂的接头问题。3.作为顶盖的梁板的支承面积应予适当放大。10.4地下结构的抗震计算方法10.4.1地下结构抗震计算方法的简介

地下结构抗震分析方法，早期借鉴地面结构抗震设计的简化方法静力法，包括地震系数法（又称拟静力法、惯性力法）和反应位移法。这是一般地下结构抗震设计时所采用的实用方法。而对于埋设于软弱地层中的重要地下结构（如地下铁道），往往进行地震响应动力分析和动力模型试验分析。

10.4.2地下结构抗震计算方法的分类

1.原型观测

原型观测法就是通过实测地下隧道结构在地震时的动力特性来了解其地震响应特点。它主要包括震害调査和现场试验两大类。

2.模型实验

该法一般是通过激震实验来研究地下结构的响应特性。它可以分为人工震源实验和振动台实验。一般而言，由于前者较难反映结构的非线性性及地基断裂等因素对隧道结构地震反应的影响，故用得不多。而振动台实验则可以较好地处理这方面的问题，因此被广泛采用。10.4.2地下结构抗震计算方法的分类

3.理论分析

10.4.2地下结构抗震计算方法的分类

4.理论分析方法的类型

10.4.3横断面抗震计算方法

1.等效静力荷载法

等效静力法是将地震中由于地震加速度而在结构中产生的惯性力看作地震荷载，将其施加在结构物上，计算其中的应力、变形等，进而判断结构的安全性和稳定性的方法。

地上结构使用该方法进行抗震设计时，对于响应加速度与基底加速度大致相等的较为刚性的结构物，可以直接采用该方法。

但对于较柔的结构物，其固有周期较长，或者越往上其振动越剧烈,这时可考虑各部分的响应特征不同，设定不同的响应加速度。这种方法叫修正等效静力法。10.4.3横断面抗震计算方法

1.等效静力荷载法

地下结构中，纵向尺寸远大于横向尺寸的线形结构的横断面抗震计算、地下储油罐的抗震设计中，也用到该方法。这时作为地震荷载，不仅要考虑由于结构物的自重引起的惯性力，还要考虑上覆土的惯性力影响，地震时的动土压力，以及内部动水压力等。10.4.3横断面抗震计算方法

2.等效静力荷载法的适用范围

等效静力法从本质上适合于地震荷载中惯性力部分占支配作用的结构物，如绝大多数地面结构物，但其也可适用于地下结构。当地下结构物的重最比周围地层重量大许多时，结构物自重的惯性力就起支配作用。另外对于刚度比较大的地下结构，结构的响应加速度基本上和周围地层地震加速度相等。等效静力法用于地下结构时，作为结构物承受的荷载，除自身的惯性力以外,外荷载的惯性力、地震时的土压、内部液体的动压力（地下油罐等场合）等也有必要进行考虑。10.4.3横断面抗震计算方法

3.反应位移法

反应位移法根据地下结构在地震中的响应特征而开发出来的计算方法。

反应位移法用于圆形地下结构的抗震设计时，根据反应位移法的基本概念，可以按照以下的顺序计算圆形地下结构断面上产生的地震时断面内力的增量。10.4.3横断面抗震计算方法

3.反应位移法

1）将结构横断面简化成刚性均匀的圆环。尽管也可以考虑每环衬砌是由分割开的管片拼装而成，而进行较为复杂的简化，但按照一般的抗震设计标准或惯例，将每块管片的弯曲刚度按照-定的比例（管片抗弯刚度的有效率)降低后，将其考虑为均一的圆环。另外，当需要考虑内衬时，可以在考虑到内衬与管片的实际结合情况后，将二者综合起来进行简化。

2）为了表现圆形地下结构和周围地层间动的相互作用，在圆环的周围沿法向和切向分别设置地层弹簧。

10.4.3横断面抗震计算方法

3.反应位移法

3）首先进行不存在圆形地下结构的原始地层的地震响应解析，以求得作用在圆形地下结构上的地震荷载。地溪荷载包括地层的变形，地层的内部应力，以及惯性力这三种类型。当圆形地下结构的埋深较深时，衬砌的惯性力在抗震计算中影响较小，也可以忽略不计。

4）在抗震计算模型上施加地震荷载，进行静力计算，从而求得圆环中产生的断面内力。

10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.1.反应变位法（纵向）

根据研究发现，刚度较大而密度小于地层的地下结构，其纵向变形取决于隧道周围地层的位移，包括沿隧道纵轴水平面和竖直面的位移，而隧道衬砌结构则通过弹性支承链杆与地层相连或将其视为弹性地基梁，并随地层位移而产生沿其纵轴水平和竖直面呈正弦波式的横向变形（横波传递方向与隧道纵轴平行时）10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.1.反应变位法（纵向）

沿隧道纵轴的拉压变形（横波传递方向与隧道纵轴垂直时）。而任一方向传递的横波都可分解为这两方向的波。此外，还可发现对于浅埋隧道，沿隧道横断面高度各点的地层位移是不同的。10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.2.BART隧道抗震设计法（纵向）

美国旧金山海湾区快速运输系统（BART）的抗震设计细则（1969年）中则采用古塞尔（R.Kuesel）提出的方法。

（1）基本假定

隧道周围土的刚度比隧道本身的刚度大，所以土在地震力作用下产生变形，将迫使隧道也产生相同的变形，不考虑土和结构之间的相互作用。

（2）设计原则

要求隧道结构有足够的延性或变形能力来吸收由于地震作用而施加于其上的变形。10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.2.BART隧道抗震设计法（纵向）

（3）水平方向振动引起的最大纵向变形当隧道位于较硬地层中，则隧道衬砌结构可考虑为自由变形结构（如同没有地下结构物时的地层位移）。出纵向水平穹曲和伸缩变形合成造成的最大应变为

当

＜0.0001时，变形属于弹性范围，此时不需要特殊的抗震接头；当

＞0.0001时，就需要有特殊抗震措施，如采用柔性接缝，它应能吸收掉数值上等于乘以接缝间距的变形量。10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.3.节段长度试算法

将土与结构相互作用作为准静态问题考虑，对不同刚度的结构和土壤，以及各种节段长度的结构，提供决淀最大弯矩和最大拉力的解。此法具有一个特点，可以用结构节段长度来调整结构纵轴应变和应力，故称之为“节段长度试算法”。

常见的两个计算模型有拉伸模型和弯曲模型。

10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.4.质点-弹簧模型

该模型是田村重四郎和冈本舜三于1976年提出来的，用于东京港沉管隧道的抗震设计，主要是弥补BART系统沉管隧道抗震设计的不足，即BART系统的抗震设计方法只求出地震波传播时地震波特性不变情况下沉管隧道中产生的应力和应变，没有考虑到沿沉管隧道轴向地基的不均匀性，而使地震力可能产生变化的情况。

10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.4.质点-弹簧模型

10.4.3横断面抗震计算方法

4.纵向抗震计算方法

4.5.设计反应谱法

此方法认为地震时结构的位移至多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。所以，如果地震时地层中位移分布和位移传递比已知，则地震中结构变形形状即可求得，于是抗震结构就可以设计了。这一方法提供了上限设计的可能性。

设计谱方法采取的假定是:①假定周围土体不破坏；②谱根据强地震运动的加速度记录算出，这个加速度记录假定是一个以恒定速度水平传播的假想波的记录；③通过把隧道作为弹性介质中的梁这一静态处理来计算位移传递比。

10.5地下结构的抗震构造措施10.5.1现浇整体钢筋混凝土结构的抗震构造措施

（1）地铁车站和出人口通道可设置柔性诱导缝，但应验算接头可能发生的相对变形，避免地震时脱开和断裂。

（2）加固处理地基，更换部分软弱土或设置桩基础深入稳定土层，消除地下结构的地下管道的不均匀沉陷。

横向框架应设置抗震构造措施，纵向框架仅在与端墙连接处配置抗震构造措施。10.5地下结构的抗震构造措施10.5.1现浇整体钢筋混凝土结构的抗震构造措施

框架结构构造措施应符合下列要求：

（1）柱轴压比不应超过0.9,当采取特殊措施后的增加值见《混凝土结构设计规范》(GB50010)；

（2）柱的纵向钢筋配置应符合下列要求：

1）宜对称配置，柱的总配筋率不应大于5%；

2）截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm；