1、建筑结构抗震设计第11章 地下建筑抗震设计11.1概述概述1995年日本阪神年日本阪神7.2级地震级地震，神户市大开地铁车站中柱神户市大开地铁车站中柱震损震损2008年汶川年汶川8.0 级级地震中，都汶公路地震中，都汶公路龙洞子隧道发生较严重损坏龙洞子隧道发生较严重损坏龙洞子隧道龙洞子隧道拱顶二衬塌落拱顶二衬塌落龙洞子隧道龙洞子隧道左洞环向剪切破坏带左洞环向剪切破坏带11.211.2地下建筑的震害特点地下建筑的震害特点（一）（一）地下建筑的地震反应特点地下建筑的地震反应特点地震反应地震反应地下建筑地下建筑地面建筑地面建筑 周围有围岩等介质约束周围有围岩等介质约束结构结构需需受受土压力、地应力、
2、地下水左右力、结土压力、地应力、地下水左右力、结构衬砌力等作用构衬砌力等作用力及其环境与地面工程不同力及其环境与地面工程不同地震作用下振动特性地震作用下振动特性与埋置地层的反应相关性与埋置地层的反应相关性较大较大无无围岩等介质约束围岩等介质约束，通过基础与地基连接，通过基础与地基连接需考虑风、雪荷载，梁、柱、板为主要传力构件需考虑风、雪荷载，梁、柱、板为主要传力构件地震作用下振动特性地震作用下振动特性与地面结构材料及几何形态与地面结构材料及几何形态相关性大相关性大 对对地下建筑来说地下建筑来说，地震反应起主要作用的因素是地基的运动特地震反应起主要作用的因素是地基的运动特性，结构形状的改变对地震
3、反应的影响相对较小性，结构形状的改变对地震反应的影响相对较小。（一）（一）地下建筑的地震反应特点地下建筑的地震反应特点在地震作用下，地下建筑振动特性主要体现在在地震作用下，地下建筑振动特性主要体现在：反应特点反应特点地下建筑地下建筑地地面面建筑建筑说明说明1自振特性自振特性不明显不明显低阶震型较明显低阶震型较明显地地下建筑结构的振动变形受周围地基土壤下建筑结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用明显的约束作用明显2地基震动地基震动影响较小影响较小有较大扰动有较大扰动根据工程波动理论，地下建筑上部场地为根据工程波动理论，地下建筑上部场地为自由场自由场3地震波入射地震波入射方向方向影响较大影响较大影
4、响较小影响较小地下建筑随地震入射播大小及较大变化地下建筑随地震入射播大小及较大变化地地下结构各点的变形和应力可能发生较大下结构各点的变形和应力可能发生较大4结构结构各点相各点相位差位差十分明显十分明显影响不大影响不大5与地震加速与地震加速度大小关系度大小关系不明显不明显衡量地震动反应衡量地震动反应的重要因素的重要因素地下建筑地震反应与地下建筑地震反应与岩土介质在地震作用岩土介质在地震作用下的变形或应变大小的关系密切下的变形或应变大小的关系密切6埋深变化埋深变化不明显不明显影响地震反应影响地震反应7土土-结相互作结相互作用用地基地震地基地震动影响动影响大大自振特性影响自振特性影响大大 根据震害调
5、查，地下建筑结构破坏的主要根据震害调查，地下建筑结构破坏的主要点有：点有：地质条件较大变化区域容易发生破坏地质条件较大变化区域容易发生破坏；软弱土层中的地下工程软弱土层中的地下工程地震地震破坏大破坏大；上部覆盖土层越厚，破坏越轻上部覆盖土层越厚，破坏越轻；衬砌厚度大的破坏的几率衬砌厚度大的破坏的几率相对大；相对大；形状形状、刚度发生变化部位易破坏，洞口常受地震破坏刚度发生变化部位易破坏，洞口常受地震破坏；对称结构发生破坏的程度要比非对称结构轻。对称结构发生破坏的程度要比非对称结构轻。（二）（二）地下建筑的抗震性能及震害地下建筑的抗震性能及震害1)1)地下车库地下车库 震害形式：震害形式：主体结
6、构与吸排气塔、楼梯间等部位的连主体结构与吸排气塔、楼梯间等部位的连接处出现了混凝土的剥落和裂缝。接处出现了混凝土的剥落和裂缝。震害原因：震害原因：主要是由于连接部位的主体结构与吸排气主要是由于连接部位的主体结构与吸排气塔、楼梯间的刚度差异造成了不同的动态反应，从而在连接塔、楼梯间的刚度差异造成了不同的动态反应，从而在连接处发生了相对位移。处发生了相对位移。2)2)过街通道过街通道 震害形式：震害形式：破坏主要是与电气、空调、给水排水和防灾设备破坏主要是与电气、空调、给水排水和防灾设备有关的破坏有关的破坏。主体结构罕有破坏。主体结构罕有破坏。3)3)城市地下空间综合体城市地下空间综合体 震害形式
7、：震害形式：主要为中柱破坏主要为中柱破坏（地铁车站）（地铁车站），结构主体受损相，结构主体受损相对较小。对较小。11.3 11.3 地下地下建筑抗震设计的一般规定建筑抗震设计的一般规定（一）（一）适用范围适用范围 单建式地下建筑单建式地下建筑：地下车库、过街通道、地下变电站和地地下车库、过街通道、地下变电站和地下空间综合体等下空间综合体等；附建式地下建筑附建式地下建筑：抗震抗震性能要求通常与地面建筑一致。性能要求通常与地面建筑一致。（二）（二）抗震设防目标抗震设防目标 单建式单建式钢筋混凝土地下建筑结构的抗震等级钢筋混凝土地下建筑结构的抗震等级，略高略高于高层建筑的地下室于高层建筑的地下室。1
8、 1）丙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级丙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级：6 6、7 7度时不应低于四级度时不应低于四级；8 8、9 9度时不宜低于三级度时不宜低于三级；2 2）乙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级乙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级：6 6、7 7度时不宜低于三级度时不宜低于三级；8 8、9 9度时不宜低于二级。度时不宜低于二级。（三）（三）地下建筑的规则性及优化选型地下建筑的规则性及优化选型1 1）地下建筑抗震设计方案地下建筑抗震设计方案：根据根据建筑抗震设防类别、抗震建筑抗震设防类别、抗震 设防烈度、场地条件、地下建筑使用要求设防烈度、场地条件、地下建筑使用要求等条件进行综等条件进
9、行综 合分析对比后确定。合分析对比后确定。2 2）地下建筑建筑布置地下建筑建筑布置：力求简单、对称、规则、平顺，横剖面的形力求简单、对称、规则、平顺，横剖面的形状和构造不宜沿纵向突变。状和构造不宜沿纵向突变。3 3）地下建筑结构设计应具有地下建筑结构设计应具有等强度等强度的概念。的概念。（四）（四）地下建筑的场地要求地下建筑的场地要求1 1）单建式地下建筑宜建造在密实、均匀、稳定的地基上。单建式地下建筑宜建造在密实、均匀、稳定的地基上。2 2）处于软弱土、液化土或断层破碎带等不利地段时，应分析其对结处于软弱土、液化土或断层破碎带等不利地段时，应分析其对结构抗震稳定性的影响，采取相应措施。构抗震
10、稳定性的影响，采取相应措施。3 3）位于岩石中的地下建筑，其出入口通道两侧的边坡和洞口仰坡，位于岩石中的地下建筑，其出入口通道两侧的边坡和洞口仰坡，应依据地形、地质条件选用合理的口部结构类型，提高其抗震稳应依据地形、地质条件选用合理的口部结构类型，提高其抗震稳定性。定性。11.4 11.4 地下建筑的抗震计算地下建筑的抗震计算（一）（一）可不进行抗震计算分析的范围可不进行抗震计算分析的范围 采取了抗震措施的下列地下建筑，可不进行地震作用计算：采取了抗震措施的下列地下建筑，可不进行地震作用计算：1)71)7度度、类场地的丙类地下建筑。类场地的丙类地下建筑。2)82)8度度(0.20g)(0.20
11、g)、类场地时，不超过类场地时，不超过2 2层、体型规则的中小跨度层、体型规则的中小跨度丙类地下建筑。丙类地下建筑。（二）（二）计算模型和设计参数的选取计算模型和设计参数的选取1)1)周围土层的模拟周围土层的模拟应能较准确地反映周围挡土结构和内部各构件的实际受力状况；应能较准确地反映周围挡土结构和内部各构件的实际受力状况；与周围挡土结构完全分离的内部结构，则可采用与地上建筑同样与周围挡土结构完全分离的内部结构，则可采用与地上建筑同样的计算模型。的计算模型。2)2)结构模型的选取结构模型的选取 平面应变分析模型平面应变分析模型：地层分布均匀、规则且具有对称轴地层分布均匀、规则且具有对称轴 的纵向
12、较长的地下建筑的纵向较长的地下建筑。（。（反应位移法反应位移法、等效水平地震等效水平地震 加速度法、等效侧力法加速度法、等效侧力法）空间结构分析计算模型空间结构分析计算模型：长宽比和高宽比均小于长宽比和高宽比均小于3 3及不适用平面及不适用平面应变分析模型的应变分析模型的。（。（土层土层结构时程分析法结构时程分析法）与周围挡土结构完全分离的内部结构，可采用与地上建筑同样的与周围挡土结构完全分离的内部结构，可采用与地上建筑同样的计算模型。计算模型。3)地震作用的方向地震作用的方向 水平地震作用水平地震作用：长条形地下结构长条形地下结构：按按平面应变平面应变问题分析时，一般可仅考虑沿问题分析时，一
13、般可仅考虑沿结构横向的水平地震作用结构横向的水平地震作用；体型复杂的地下建筑结构体型复杂的地下建筑结构：同时计算结构横向和纵向的水平同时计算结构横向和纵向的水平地震作用。地震作用。竖向地震作用竖向地震作用：8、9度时宜计及竖向地震作用。必要时，设度时宜计及竖向地震作用。必要时，设防烈度为防烈度为7度，也度，也可可考虑竖向地震作用效应的综合作用考虑竖向地震作用效应的综合作用。采用土层采用土层-结构时程分析法或等效水平地震加速度法时，土、结构时程分析法或等效水平地震加速度法时，土、岩石的动力特性参数可由试验确定。岩石的动力特性参数可由试验确定。（三）（三）地下建筑抗震计算方法地下建筑抗震计算方法
14、无论何种计算方法，只要计算模型反映地下结构实际无论何种计算方法，只要计算模型反映地下结构实际 受力情况，就可以选用。受力情况，就可以选用。各种实用的地下建筑抗震分析方法都是以这两种方法为基础发各种实用的地下建筑抗震分析方法都是以这两种方法为基础发展起来的展起来的。地下建筑抗地下建筑抗震分析方法震分析方法波动法波动法相互作用法相互作用法以解波动方程为基础，将介质与结构作为以解波动方程为基础，将介质与结构作为一个整体以求解其波动场与应力场一个整体以求解其波动场与应力场。以求解结构运动方程为基础，地基对结构影响作以求解结构运动方程为基础，地基对结构影响作用等效为弹簧和阻尼器，以相互作用力的方式出用等
15、效为弹簧和阻尼器，以相互作用力的方式出现。现。实际工程设计中采用较多的是实际工程设计中采用较多的是等效侧力法、等效水平地等效侧力法、等效水平地震加速度法、反应位移法和土层震加速度法、反应位移法和土层结构时程分析法结构时程分析法四种方法四种方法。（l l）等效侧力法。）等效侧力法。计算原理：计算原理：将地下结构的地震反应简化为作用在结构上将地下结构的地震反应简化为作用在结构上 的的等效水平地震惯性力等效水平地震惯性力的作用效应，再用静力计算模型的作用效应，再用静力计算模型 对结构内力进行分析的方法。对结构内力进行分析的方法。水平地震力的组成：水平地震力的组成：结构自身的惯性力；结构自身的惯性力；
16、地震时上覆土对顶板的水平剪应力；地震时上覆土对顶板的水平剪应力；地震引起的结构一侧地层的主动土压力增量。地震引起的结构一侧地层的主动土压力增量。基本基本假定：假定：结构与土体均为结构与土体均为各向同性各向同性的的线弹性体线弹性体；结构计算模型简化为结构计算模型简化为平面应变平面应变问题；问题；忽略忽略土与结构之间的相互作用。土与结构之间的相互作用。适用条件：适用条件：地下结构与地面建、构筑物合建，即作为上部结构的基础时；地下结构与地面建、构筑物合建，即作为上部结构的基础时；与围岩的重量相比，结构自身的重量较大时。与围岩的重量相比，结构自身的重量较大时。（2 2）等效水平地震加速度法）等效水平地
17、震加速度法计算原理：计算原理：将地下结构的地震反应简化为沿垂直向线性将地下结构的地震反应简化为沿垂直向线性 分布的等效水平地震加速度的作用效应。分布的等效水平地震加速度的作用效应。适用条件：适用条件：用于平面应变问题的地震反应分析用于平面应变问题的地震反应分析计计算模型算模型：土体用平面应变单元、结构用梁单元进行模拟土体用平面应变单元、结构用梁单元进行模拟，模模型的底面用固定边界，侧面用水平滑移边界。型的底面用固定边界，侧面用水平滑移边界。等效水平地震加速度法的平面应变计算模型等效水平地震加速度法的平面应变计算模型（3 3）反应位移法）反应位移法 计算原理：计算原理：求得地下结构所在位置求得地
18、下结构所在位置土层动力反应位移土层动力反应位移的的 最大值，再把周围土体对地下结构的作用假设为弹簧，最大值，再把周围土体对地下结构的作用假设为弹簧，将土层动力反应位移的最大值作为强制位移施加于将土层动力反应位移的最大值作为强制位移施加于地基弹簧地基弹簧上，上，同时对地下结构施加地震惯性力，然后按静力原理计算内力。同时对地下结构施加地震惯性力，然后按静力原理计算内力。需需考虑考虑的力的力：侧向力侧向力P P(z z)：土地层变形（即强制位移的计算），及地震时结构土地层变形（即强制位移的计算），及地震时结构两侧土层变形形成的侧向力两侧土层变形形成的侧向力P P(z z)；惯性力惯性力：结构自重产生
19、的惯性力；结构自重产生的惯性力；剪切力剪切力：结构与周围土层之间的剪切力。结构与周围土层之间的剪切力。长条形地下建筑长条形地下建筑反应位移法的等效侧向荷载反应位移法的等效侧向荷载（4 4）土层）土层结构时程分析法结构时程分析法计算原理：将计算原理：将结构和周围地基作为一结构和周围地基作为一个体系，个体系，通过直接通过直接 输人地震加速度记录，在满足变形协调条件的前提下分输人地震加速度记录，在满足变形协调条件的前提下分 别计算结构物和岩土体介质在各时刻的位移、速度、加速度别计算结构物和岩土体介质在各时刻的位移、速度、加速度，以及应变和内力，并进而验算场地的稳定性和进行结构截，以及应变和内力，并进
20、而验算场地的稳定性和进行结构截面设计。面设计。适用条件适用条件：具有普遍适应性：具有普遍适应性。周围土层分布不规则、不对称周围土层分布不规则、不对称，长宽比和高宽比均小于，长宽比和高宽比均小于3 3的地下建筑，及采用平面应变分析的地下建筑，及采用平面应变分析模型不能反映结构实际受力情况模型不能反映结构实际受力情况均适用。均适用。计算需关注的问题：计算需关注的问题：计算区域及边界条件；计算区域及边界条件；地面以下地震作用的大小；地面以下地震作用的大小；地下结构的重力荷载；地下结构的重力荷载；土层的计算参数。土层的计算参数。（四）（四）地下建筑抗震地下建筑抗震验算验算地下建筑的抗震验算尚应符合下列
21、规定：地下建筑的抗震验算尚应符合下列规定：(1)(1)应进行多应进行多遇地震作用遇地震作用下截面承载力和构件变形的抗下截面承载力和构件变形的抗 震震验算。验算。(2)(2)对于不规则的地下建筑以及地下变电站和地下空间综合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，尚应进行体等，尚应进行罕遇地震作用罕遇地震作用下的抗震变形验算。下的抗震变形验算。(3)(3)在有在有可能液化地基可能液化地基中建造地下建筑结构时，应注意验算中建造地下建筑结构时，应注意验算液化时其抗浮稳定性。液化时其抗浮稳定性。11.511.5地下建筑的抗震措施地下建筑的抗震措施（一）（一）地下建筑结构的抗震构造措施地下建
22、筑结构的抗震构造措施地下建筑的抗震验算尚应符合下列规定：地下建筑的抗震验算尚应符合下列规定：(1)(1)钢筋混凝土地下建筑宜采用钢筋混凝土地下建筑宜采用现浇结构现浇结构。需要设置部分装配。需要设置部分装配式构件时，应使其与周围构件有可靠的连接。式构件时，应使其与周围构件有可靠的连接。(2)(2)地下建筑的顶板、底板和楼板宜采用地下建筑的顶板、底板和楼板宜采用梁板结构梁板结构。（二）（二）地下建筑的抗液化措施地下建筑的抗液化措施地下建筑周围土体和地基存在液化土层时，应采取下列措施：地下建筑周围土体和地基存在液化土层时，应采取下列措施：(1(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
23、）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。施。(2)(2)进行地下结构液化上浮验算，必要时采取增设抗拔桩、配置进行地下结构液化上浮验算，必要时采取增设抗拔桩、配置压重等相应的抗浮措施。压重等相应的抗浮措施。(3)(3)存在液化土薄夹层，或施工中深度大于存在液化土薄夹层，或施工中深度大于20m20m的地下连续墙围护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结构遇到液化土层时，可不做地基抗液化处理。（三）（三）其它抗震构造措施其它抗震构造措施 穿越滑坡和地质条件剧烈变化的地段，应采取更换软弱穿越滑坡和地质条件剧烈变化的地段，应采取更换软弱 土或设置桩基础等措施土或设置桩基础等措施；对于位于岩石中的地下建筑，要求在断层破碎带中采用钢筋混对于位于岩石中的地下建筑，要求在断层破碎带中采用钢筋混凝土内衬结构，不得采用素混凝土衬砌。凝土内衬结构，不得采用素混凝土衬砌。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；围岩；采用钻爆法施工时，初期支护和围岩地层间应密实回填采用钻爆法施工时，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。干砌块石回填时应注浆加强。第十一章结束！第十一章结束！
