地下建筑的抗震設計第十八講2010.10.15地下結構的震害及其啟示地下建筑抗震設計的基本要求地下建筑抗震計算的要點地下建筑的抗震構造措施

1.1

地下結構的震害

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，地下結構、地鐵震害的報道非常少見，且損壞程度較輕。

1.

地下結構的震害及其啟示

1975年海城地震（ML7.3）中，營口市（8度區）150多公里管道破壞372處，配水管網大量漏水，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，經一個多月搶修才恢復正常供水；盤錦地區（7度區）直埋大口徑鋼管66.5km，焊口斷裂21處，破壞率達0.31處/km；絲扣聯結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，唐山市給水系統全部癱瘓，經一個月搶修才基本恢復供水；秦京輸油管道發生5處破壞。開灤煤礦井巷工程總長17.7萬m，主體結構震害輕微；噴錨、璇砌工藝支護比梯形支架震害輕；斷面形狀和尺寸或坡度變化、拐彎、不同支護材料交接處等剛度變化的薄弱部位震害較重；地質條件復雜地段震害重；采空區附近震害重；停電水淹加重震害。

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

寧河、漢沽區烈度9度，塘沽烈度8度，人防工程大多位于濱海相沉積層，除表層土強度稍強外均為淤泥質土或粉土，其人防地道裂縫較大，普遍每隔12m左右出現寬1~3cm的環向裂縫，少數工事出現縱向裂縫，并在接頭轉角處多處發生斷裂和錯動。因地下水位很高又沒有排水設施，結構開裂和部分防水砂漿抹面脫落造成漏水，以致工事內積水嚴重，影響正常使用。個別地段的工事底部有噴砂冒水現象，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，市政管網煤氣管道斷裂引起火災，且因供水管網損壞，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日發生在日本兵庫縣南部的里氏7.2級的“阪神地震”最具有代表性。在這次地震中，神戶市內采用明挖法建造、上覆土層較淺的地下鐵道、地下停車場、地下商業街等大量地下結構都發生了嚴重的破壞。A.大開站

地鐵大開站，長120m，側式站臺。有兩種斷面類型。標準段斷面1-1為站臺部分，是寬17m×高7.2m的1層2跨結構；中央大廳段斷面2-2為寬26m×高10m的2層4跨結構，地下一層是檢票大廳，地下二層為站臺。底板、側墻和中柱為現澆鋼筋混凝土結構。大開站覆土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個支承平臺倒塌，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400m，月臺長125m。橫截面在在線路方向向上分3層2跨和2層2跨兩種形式式。其中上層的的受害程度度都很嚴重重，中柱出出現了典型型的剪切破破壞和斜向向的龜裂。。B.上澤站上澤車站C斷面破壞狀狀況圖(西側面視圖)上澤車站G2斷面破壞狀狀況圖(西側面視圖圖)上澤站中柱柱毀壞情況況三宮車站全全長306m，為3層構造。外外部尺寸為為寬15～38m×高20～22m。C.三宮站三宮站的被被害情況和和上澤站的的情況相似似。以車站中央央稍偏西的的位置為中中心100m左右的區間間內，中柱柱的受損程程度很高。。在地鐵三宮宮站約有20根中柱破壞壞；地下一一層的電氣氣室和機械械室的鋼筋筋混凝土中中柱破壞，，鋼筋壓屈屈。三宮車站破破壞狀況圖圖(西側面視圖圖)1.1.3汶川地震中中公路隧道道的震害震害類型：：洞頂滾石，，滑坡，洞洞門端墻、、翼墻開裂裂襯砌裂縫（（橫向、縱縱向、斜向向）二次襯砌開開裂，冒頂頂掉塊、偏偏幫防水層破損損，洞周圍圍巖坍塌底鼓或鋪砌砌開裂、隆隆起等。典型工程：：龍溪隧道、、龍洞子隧隧道等。洞頂滾石龍洞子隧道道滑坡龍洞子隧道道端墻開裂洞門翼墻開開裂龍溪隧道-洞口裂縫龍溪隧道-洞內塌方底鼓、冒頂頂、防水層層開裂防水層開裂裂底鼓、鋪砌砌破壞縱縫橫縫斜縫1.1.4汶川地震中中地下鐵道道的震害區間隧道管管片錯臺，，裂損等。。錯臺錯臺錯臺地下結構震震害的可能能性歷史上地震震對地下結結構的破壞壞是客觀存存在的的，，潛在的地地震災害對對城市區域域的生命財財產安全以以及地下下結構的安安全使用可可能構成嚴嚴重影響。。大型地下結結構建設較較晚，迄今今尚未遭遇遇強震，使使人誤以為為地下結構構抗震能力力都很好。1.2地下結構震震害的啟示示地下結構震害危危害的嚴重重性需要原地修修復，技術術難度高，，工期長，，費用貴，，影響大2.地下建筑抗抗震設計的的基本要求求1)適用范圍14.1.1本章主要適適用于地下下車庫、過過街通道、、地下變電電站和地下下空間綜合合體等單建建式地下建建筑。不包包括地下鐵鐵道、城市市公路隧道道等。地下鐵道、、城市公路路隧道等屬屬于交通運運輸類工程程。附建式地下下建筑(如地下室)的性能要求通常與與地面建筑一致。。2)抗震設防目目標地下建筑種種類較多，，有的抗震震能力強，，有的使用用要求高，，有的服務務于人流、、車流，有有的服務于于物資儲藏藏，抗震設設防應有不不同的要求求。14.1.4……….丙類鋼筋混混凝土地下下結構的抗抗震等級，，6、7度時不應低低于四級，，8、9度時不宜低低于三級。。乙類鋼筋筋混凝土地地下結構的的抗震等級級，6、7度時不宜低低于三級，，8、9度時不宜低低于二級。。要求略高于于高層建筑筑的地下室室，因為：：（1）單建式地地下建筑在在附近房屋屋倒塌后，，有的仍常常有繼續服服役的必要要，其使用用功能的重重要性常高于于高層建筑筑地下室；；（2）地下結構構一般不宜宜帶縫工作作，尤其是是在地下水水位較高的的場合，其其整體性要要求高于地地面建筑；；（3）地下空間間通常是不不可再生的的資源，損損壞后一般般需原地修修復，難度度較大。3)地下建筑的的規則性及及優化選型型14.1.3地下下建筑的建建筑布置應應力求簡單單、對稱、、規則、平平順；橫剖剖面的形狀狀和構造不不宜沿縱向向突變。與地面建筑筑的區別是是，地下建建筑結構尤尤應力求體型簡單，縱向、橫橫向外形平順，剖面形狀狀、構件組組成和尺寸寸不沿縱向向經常變化化，使其抗抗震能力提提高。地下建筑結結構設計應應具有等強度概念念。阪神地震震中，地鐵鐵車站中柱柱兩端發生生的嚴重剪剪切破壞，，提醒我們們在工程設設計時不能忽視柱柱的剪切強強度和延性性設計，同同時應加強強結構的抗抗側向力構構件。3.地下建筑抗抗震計算的的要點3.1可不進行抗抗震計算分分析的范圍圍14.2.1按本章要求求采取抗震震措施的下下列地下建建筑，可不不進行地震震作用計算算：1、7度ⅠⅠ、Ⅱ類場場地的丙類類地下建筑筑。主要參考唐唐山地震中中天津市人人防工程震害調查的資料2、8度（（0.20g）Ⅰ、、Ⅱ類場地地時，不超超過二層、體型規規則的中小小跨度丙類類地下建筑筑。這類結構剛剛度相對較較大，抗震震能力相對對較強，具有設計經經驗時也可可不進行地地震作用計計算。3.2地下建筑結結構的抗震震計算模型型1）周圍土層層的模擬可采用地基基彈簧模型型，或建立立土層—結構模型。。巖土材料的的動力性能能對其宜通過過試驗測定定對軟土介紹Davidenkov模型及土動力特特性參數的的估算式2）結構模型型的選取周圍地層分分布均勻、、規則且具具有對稱軸軸的縱向較較長的地下下建筑，結結構分析可可選擇平面面應變分析析模型，并并采用反應應位移法或或等效水平平地震加速速度法、等等效側力法法計算。一般適用于離端端部或接頭的距距離達1.5倍結構跨度以上上的地下建筑結結構斷面。端部、接頭及不不符合上款條件件的地下結構，，應選用空間結結構模型，采用用時程分析法計計算。3)計算范圍和邊界界條件平面問題分析中中，側向邊界宜宜取至離相鄰結結構邊墻至少3倍結構寬度處，，底部邊界取至至基巖表面，或或經時程分析試試算結果趨于穩穩定的深度處，，上部邊界取至至地表。計算的的邊界條件，側側向邊界可采用用自由場邊界，，底部邊界離結結構底面較遠時時可取為可輸入入地震加速度時時程的固定邊界界，地表為自由由變形邊界。空間問題分析中中，側向邊界位位置可與平面問問題分析相同，，縱向邊界可取取為離結構端部部2倍結構斷面積當當量寬度處的橫橫剖面，邊界條條件均宜為自由由場邊界。4)地面下設計基本本地震加速度值值地面下設計基本本地震加速度值值隨深度逐漸減減小已被公認，，但取值各國有有不同的規定。。一般在基巖面取取地表的1/2，基巖至地表按按深度線性內插插。我國《水工建筑物抗震震設計規范》規定地表為基巖巖面時，基巖面面下50m及其以下部位的的設計地震加速速度代表值取為為地表規定值的的1/2，不足50m處可按深度由線線性插值確定。。對于進行地震安安全性評價的場場地，則可根據據具體情況按一一維或多維的模模型進行分析后后確定其減小的的規律。5)地震作用的方向向一般可僅考慮沿沿結構橫向的水水平地震作用。。對于地下空間間綜合體等體型型復雜的地下建建筑結構，宜同同時計算結構橫橫向和縱向的水水平地震作用。。地下空間綜合體體等體型復雜的的地下結構，8、9度時尚宜計及豎豎向地震作用。。體型復雜的地下下空間結構或地地基地質條件復復雜的長條形地地下結構，都易易產生不均勻沉沉降并導致結構構裂損，因而即即使設防烈度為為7度，必要時也需需考慮豎向地震震作用效應的綜綜合作用。3.3地下建筑結構抗抗震計算的方法法進行多遇地震作用下的的截面承載力和和構件變形抗震震驗算時，平面面問題可采用彈性時程分析法，反應位位移法、等效水水平地震加速度度法或等效側力力法計算。空間間問題可采用彈性時程分析法法。進行罕遇地震作用下的抗震變變形驗算時，可可采用彈塑性時程分析析法，或簡化方法計計算結構的彈塑塑性變形。3.4地下建筑的抗震震驗算地下建筑應進行行多遇地震作用用下的截面承載載力和構件變形形的抗震驗算。。對于不規則的地地下建筑以及地地下變電站和地地下空間綜合體體等，尚應進行行罕遇地震作用用下的抗震變形形驗算；混凝土土結構彈塑性層層間位移角限值值[θp]宜取取1/250。。液化地基中的地地下建筑，應驗驗算土層液化時時的抗浮穩定性性。液化土層對對地下連續墻和和抗拔樁等的摩摩阻力，宜根據實測的標準貫入錘擊擊數與臨界標準準貫入錘擊數的的比值,確定液化折減系系數。4.地下建筑的抗震震構造措施1)對框架結構，注意使中柱剛度滿足抗震構造要求，包括括：宜采用現澆結構構;最小尺寸應不低低于同類地面結結構構件;中柱縱向鋼筋的最小總配筋率，，應增加0.2%;中柱與梁或頂板板、中間樓板及及底板連接處的的箍