工程結(jié)構(gòu)抗震課件：第十四章 地下結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計(jì)概要

1、工程結(jié)構(gòu)抗震第十四章地下結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計(jì)概要14.1 概述（1） 地震破壞地下結(jié)構(gòu)抗震性能相對(duì)較好，除了強(qiáng)度較低的管線外，地震破壞比較少。需要抗震設(shè)計(jì)的地下結(jié)構(gòu)物主要是建在軟土場(chǎng)地中的沉管隧道；盾構(gòu)隧道；管線（細(xì)長(zhǎng)）；地下空間（具有平面尺寸）等。水平細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)井筒結(jié)構(gòu)地下空間地下空間的地震破壞實(shí)例地下車站RC柱子的地震破壞沉管隧道：預(yù)制節(jié)段，下沉，連接，回填。港珠澳大橋采用沉管隧道盾構(gòu)隧道：鉆洞施工方法（2）地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的基本特點(diǎn)與地面結(jié)構(gòu)有較大差異，地下結(jié)構(gòu)震動(dòng)與周圍場(chǎng)地相似。結(jié)構(gòu)質(zhì)量與場(chǎng)地相比相對(duì)較?。ㄒ?yàn)槭强斩唇Y(jié)構(gòu)）,地震慣性力比較小（因?yàn)橘|(zhì)量?。黄鹬渥饔米枘岷艽?，周圍受到場(chǎng)地土的

2、約束，不容易發(fā)生振動(dòng)場(chǎng)地變形（或者應(yīng)變）和結(jié)構(gòu)抵抗場(chǎng)地變形的能力是決定結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及抗震安全的主要因素。14.2 抗震設(shè)計(jì)方法的基本思想以及國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)方法1960年代，由美國(guó)著名學(xué)者G.W.Housner教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對(duì)隧道抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首次提出用場(chǎng)地變形計(jì)算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和驗(yàn)算沉管隧道抗震安全的設(shè)計(jì)方法，這對(duì)地下線狀結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有極其深遠(yuǎn)的影響，奠定了地下管道和隧道抗震設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。地震災(zāi)害資料證實(shí)了這種設(shè)計(jì)方法的合理性，隧道的地震破壞多數(shù)發(fā)生在液化場(chǎng)地、斷裂滑移場(chǎng)地、不均勻場(chǎng)地等地段，過大的場(chǎng)地變形是導(dǎo)致隧道地震破壞的直接原因。根據(jù)對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)實(shí)地觀測(cè)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

3、結(jié)果，隧道的地震響應(yīng)和地震破壞具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1)隧道內(nèi)部的地震加速度與周圍場(chǎng)地的地震加速度基本相同； 2)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)最大時(shí)刻不發(fā)生在地震加速度最大的時(shí)間段； 3)隧道自身慣性力影響非常小，其影響可以忽略不計(jì)； 4)隧道縱向應(yīng)變中軸向應(yīng)變大于彎曲應(yīng)變； 5)縱向變形主要由柔性接頭吸收；橫向斷面的應(yīng)變主要是由于結(jié)構(gòu)斷面形狀變形引起的； 6)土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用不可忽視，周圍土層的剪切力對(duì)隧道地震內(nèi)力有比較大的影響； 7)液化場(chǎng)地、斷裂滑移場(chǎng)地、不均勻場(chǎng)地容易發(fā)生地震破壞。上述結(jié)論都證明了用場(chǎng)地變形作為荷載條件的隧道抗震設(shè)計(jì)理論是合理的。許多設(shè)計(jì)規(guī)范均以此為基礎(chǔ)，以場(chǎng)地地震運(yùn)動(dòng)、土與結(jié)構(gòu)相

4、互作用為重點(diǎn)編制隧道的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，其設(shè)計(jì)方法、計(jì)算理論體系已基本成形。 1972年日本結(jié)合成田機(jī)場(chǎng)輸油管建設(shè)，道路協(xié)會(huì)編制的石油管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全面采用了BART隧道抗震設(shè)計(jì)的基本概念，采用等價(jià)兩層地層結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，用正弦波作為輸入條件計(jì)算場(chǎng)地的變形計(jì)算管道的地震響應(yīng)、驗(yàn)算管道的抗震安全。沒有考慮不均勻場(chǎng)地地震運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法和柔性接頭的計(jì)算方法，正弦波的波長(zhǎng)是根據(jù)土的剪切波速和覆蓋層厚度計(jì)算得到。1974年日本土木學(xué)會(huì)提出沉管隧道抗震設(shè)計(jì)指針（案）。首次明確將場(chǎng)地位移作為地震作用的設(shè)計(jì)方法稱為“響應(yīng)變位法”。由于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)指針（案）譯成中文，因此在我國(guó)地下隧道抗震、地下管線抗震設(shè)計(jì)中有著

5、深遠(yuǎn)的影響。沉管隧道抗震設(shè)計(jì)指針（案）中結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)采用了響應(yīng)變位法、震度法、動(dòng)力計(jì)算分析法三種方法，其中換氣塔的地震響應(yīng)采用震度法和動(dòng)力計(jì)算法計(jì)算，場(chǎng)地地震變形采用響應(yīng)變位法計(jì)算。當(dāng)?shù)匦?、地質(zhì)等場(chǎng)地條件以及隧道截面在縱向發(fā)生顯著變化時(shí)，將隧道沿縱向離散成多質(zhì)點(diǎn)體系，通過動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算得到。根據(jù)1978年的宮城地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)，日本煤氣協(xié)會(huì)在1982年編制了煤氣管道抗震設(shè)計(jì)指針，該指針繼承了石油管道抗震設(shè)計(jì)技術(shù)基準(zhǔn)的基本方法，新增加了場(chǎng)地或者結(jié)構(gòu)變化顯著位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并用應(yīng)變值驗(yàn)算管道的抗震安全，計(jì)算時(shí)考慮場(chǎng)地土與管道之間的滑移影響。1997年，又結(jié)合阪神地震的災(zāi)害教訓(xùn)，日本煤氣協(xié)會(huì)進(jìn)一步提出

6、考慮二水準(zhǔn)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范改訂版，并增加了場(chǎng)地變化以及液化場(chǎng)地的管道抗震設(shè)計(jì)方法。日本道路協(xié)會(huì)1986年提出了共同溝抗震設(shè)計(jì)指針，在指針中規(guī)定了有關(guān)液化方法的計(jì)算內(nèi)容，對(duì)液化發(fā)生的可能性、上浮力、下沉等計(jì)算方法作了相應(yīng)的規(guī)定。設(shè)計(jì)方法也是響應(yīng)變位法，與石油管道技術(shù)指針相同。增加了如下幾點(diǎn)內(nèi)容：帶接頭管道的截面內(nèi)力折減；場(chǎng)地條件發(fā)生變化的管道截面力的修正；應(yīng)力計(jì)算時(shí)截面內(nèi)力的組合。 日本水道協(xié)于1979年頒布了日本水道設(shè)施抗震工法指針，并于1997年在阪神地震以后進(jìn)行了修改，設(shè)計(jì)方法采用響應(yīng)變位法和震度法為基礎(chǔ)，對(duì)于一些特殊條件的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算建議采用動(dòng)力響應(yīng)分析方法。其中，響應(yīng)變位法基本上

7、沿用了石油管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方法，當(dāng)有接頭時(shí)給出了相應(yīng)的管道應(yīng)力計(jì)算方法。在1997年的改訂版中，增加二級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)地震條件下采用彈性理論計(jì)算，在罕遇地震條件下采用彈塑性理論計(jì)算，容許結(jié)構(gòu)發(fā)生地震損傷。同時(shí)給出了液化時(shí)場(chǎng)地變形計(jì)算和對(duì)應(yīng)的安全驗(yàn)算方法。2000年，日本首都高速公路公團(tuán)在阪神大地震以后對(duì)明挖隧道抗震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，從一水準(zhǔn)設(shè)防擴(kuò)大到二水準(zhǔn)設(shè)防，在罕遇地震作用下考慮結(jié)構(gòu)損傷的影響，按彈塑性分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，省略了結(jié)構(gòu)在縱向地震響應(yīng)的安全驗(yàn)算，并引入了動(dòng)力時(shí)程計(jì)算方法。日本鐵道綜合技術(shù)研究所編制的鐵道結(jié)構(gòu)物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在2001年經(jīng)過了1995年阪神大地震以后進(jìn)行了修訂，建

8、立了多水準(zhǔn)設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)方法，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了明挖隧道的抗震設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)為地震時(shí)結(jié)構(gòu)慣性力的影響較小，可以忽略不計(jì)。結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算時(shí)要求考慮土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，在罕遇地震作用下要求考慮土和結(jié)構(gòu)非線性的影響，對(duì)位于液化場(chǎng)地的隧道需要進(jìn)一步考慮液化的影響，給出了響應(yīng)的計(jì)算方法。該標(biāo)準(zhǔn)給出了三種結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的計(jì)算方法：簡(jiǎn)易算法、響應(yīng)變位法和動(dòng)力時(shí)程計(jì)算方法，當(dāng)隧道穿越地形復(fù)雜的場(chǎng)地時(shí)，場(chǎng)地和結(jié)構(gòu)的地震響需要通過動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)計(jì)算得到。在本規(guī)范中，同時(shí)給出了不均勻場(chǎng)地的地震響應(yīng)計(jì)算方法。美國(guó)交通運(yùn)輸部聯(lián)邦公路管理局(FHWA)2009年頒布了公路隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)手冊(cè)-土木分冊(cè)，概要規(guī)定了隧道抗震

9、的基本思路和方法，指出最近的隧道等地下結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的重大破壞都與地基失效引起的場(chǎng)地較大位移有關(guān)，例如，斷層破裂帶穿過隧道，山體滑坡（特別是隧道入口處），以及砂土液化等。隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)主要采用場(chǎng)地變形方法，當(dāng)結(jié)構(gòu)相對(duì)于土介質(zhì)的剛度較大時(shí)，必須考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)。我國(guó)1976年受到唐山地震巨大地震災(zāi)害影響，建設(shè)部于1978年首先頒布了室外給水排水和煤氣熱力工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（TJ32-78），適用于7-9度地區(qū)的管道抗震設(shè)計(jì)。該規(guī)范根據(jù)剪切波傳播計(jì)算得到的場(chǎng)地變形考慮地震荷載驗(yàn)算管道的抗震安全。2003年9月開始執(zhí)行新的室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50032-2003）是在室

10、外給水排水和煤氣熱力工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（TJ32-78）基礎(chǔ)上的改訂版，并批準(zhǔn)改為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用于設(shè)防烈度為6度至9度地區(qū)的室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ淘O(shè)施的抗震設(shè)計(jì)。輸油（氣）鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（SY/T0450-2004）是石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，代替原標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0450-97。適用于6至9度地區(qū)的輸油（氣）鋼質(zhì)管道的抗震設(shè)計(jì)，規(guī)定了跨斷層和跨液化區(qū)管道的設(shè)計(jì)方法和工程措施，增加了覆蓋層對(duì)地表斷層影響的有關(guān)規(guī)定。住建部在SY/T0450-2004的基礎(chǔ)上編制了油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范（GB50470-2008），對(duì)原規(guī)范進(jìn)行了擴(kuò)充和完善，是我國(guó)第一部管道線路工程抗震領(lǐng)域綜合性的國(guó)家標(biāo)

11、準(zhǔn)。建設(shè)部1998年頒布的國(guó)標(biāo)核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50267-97）對(duì)地下管道的抗震設(shè)計(jì)方法給出了原則性的內(nèi)容，對(duì)于均勻場(chǎng)地條件下的結(jié)構(gòu)抗震采用地震波傳播算法，復(fù)雜場(chǎng)地采用動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)計(jì)算方法，采用集中質(zhì)量法或者有限元模型模擬場(chǎng)地的影響，考慮土的非線性效應(yīng)和能量透射邊界，給出了考慮結(jié)構(gòu)與土之間相互作用的地基土彈簧計(jì)算式。14.3 響應(yīng)位移法場(chǎng)地位移用正弦波給出，用彈性地基梁計(jì)算縱向計(jì)算由于場(chǎng)地變形作用在結(jié)構(gòu)的力是通過地基彈簧傳遞的，假定軸向的地基彈簧剛度為KA、橫向彈簧剛度為KB，則結(jié)構(gòu)的地震運(yùn)動(dòng)方程為： 式中，帶*的v為結(jié)構(gòu)變形、不帶*的v為自由場(chǎng)地變形(軸向和橫向),、A、E、I分別為

12、結(jié)構(gòu)密度、截面積、彈性模量、截面慣性矩。由于慣性力影響比較小，忽略第一項(xiàng)按靜力問題計(jì)算。自由場(chǎng)地的變形由規(guī)范根據(jù)抗震設(shè)計(jì)要求確定。 Uh(z):地下z位置的水平位移Kh為設(shè)計(jì)震度(與烈度相關(guān)的系數(shù))SV為速度反應(yīng)VDS地表面的剪切波速 VBS基巖的剪切波速橫斷面計(jì)算考慮地震是的土動(dòng)壓力、周圍土的剪力、結(jié)構(gòu)慣性力地下空間結(jié)構(gòu)，以橫斷面計(jì)算為主有限元計(jì)算方法14.4 生命線工程的特征以及抗震研究特點(diǎn)電力、交通、通訊、煤氣是居民日常生活的基礎(chǔ)，水的供應(yīng)以及廢水、污水的排放是維持居民生活、保持清潔衛(wèi)生的居住環(huán)境不可缺少的條件，這些設(shè)施稱為城市生命線工程。 與其他土木建筑設(shè)施不同，城市生命線工程具有如下

13、特征：覆蓋范圍廣，且大部分設(shè)施分布在地下，檢查、修復(fù)比較困難，恢復(fù)需要很長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)災(zāi)民災(zāi)后的日常生活、衛(wèi)生條件影響較大。生命線設(shè)施牽涉到城市各個(gè)部門和每個(gè)家庭，實(shí)施統(tǒng)一的防災(zāi)行動(dòng)計(jì)劃比較困難，管理難度大。地震破壞不僅影響結(jié)構(gòu)功能，同時(shí)還會(huì)引起嚴(yán)重的次生災(zāi)害，如煤氣泄漏引起火災(zāi)和煤氣中毒事故，供水系統(tǒng)癱瘓不但影響災(zāi)民的生活，而且也對(duì)傷員的救助、滅火消防、災(zāi)區(qū)的衛(wèi)生條件等等都會(huì)帶來很大的影響。具有網(wǎng)絡(luò)的工作特點(diǎn)，個(gè)別地方地震破壞會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能，且經(jīng)過多年不斷擴(kuò)建形成的生命線設(shè)施抗震性能差異較大，新舊設(shè)施之間維持同等的抗震性能非常困難。不同類型的生命線之間相互影響，如電力系統(tǒng)的破壞會(huì)引起

14、供水系統(tǒng)的癱瘓，道路交通的中斷影響其他生命線設(shè)施的修復(fù)作業(yè)等等。14.5 生命線工程的抗震研究發(fā)展和現(xiàn)狀開展生命線工程的抗震研究源于1971年美國(guó)San Fernando地震。在該地震中由于地下埋設(shè)管道等設(shè)施發(fā)生了大量的破損并引起嚴(yán)重的地震次生災(zāi)害，美國(guó)地震工程研究者從中認(rèn)識(shí)到生命線設(shè)施抗震性能的重要性，加州大學(xué)洛杉磯分校C.M.Duke教授將給排水、煤氣、電力、通訊以及交通設(shè)施的抗震研究作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域，提出生命線地震工程的新名詞。1974年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)設(shè)立生命線地震工程技術(shù)委員會(huì)，其目的是提高既有生命線設(shè)施的抗震性能和抗震設(shè)計(jì)方法、抗震措施。我國(guó)在生命線工程抗震研究自1980年初期

15、開始。經(jīng)歷1976年的唐山大地震以后，工程結(jié)構(gòu)的抗震問題得到廣泛重視。目前生命線工程抗震研究可以分為以下幾個(gè)方面內(nèi)容：地震災(zāi)害時(shí)的受災(zāi)狀態(tài)把握和破壞機(jī)理分析；生命線工程各組成元素的地震響應(yīng)計(jì)算方法、試驗(yàn)方法研究，特別是地下管道地震響應(yīng)計(jì)算和抗震結(jié)構(gòu)措施的研究；系統(tǒng)的抗震性能評(píng)估和加固技術(shù)研究；生命線工程抗震可靠度分析；生命線工程地震以后的緊急措施、修復(fù)技術(shù)、恢復(fù)戰(zhàn)略；生命線工程功能與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的相關(guān)性分析；預(yù)警和系統(tǒng)控制；風(fēng)險(xiǎn)分析；其他。14.6 生命線工程的地震破壞特點(diǎn)根據(jù)過去的地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)資料，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：管道破壞與地面最大加速度之間未必存在比例關(guān)系。液化對(duì)管道地震破壞影響非常大

16、，液化地基中管道破壞比較嚴(yán)重。地下管道地震破壞主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)：1）場(chǎng)地類型：容易發(fā)生場(chǎng)地變形的軟弱場(chǎng)地、土層變化較大的場(chǎng)地中埋設(shè)的管道地震破壞比一般場(chǎng)合較嚴(yán)重；2）管道鋪設(shè)狀況：采用砂土回填土的管道破壞程度比較輕；3）管道材質(zhì)、連接方法：管體強(qiáng)度較小的石棉管、陶管、混凝土管以及栓接鋼管、鑄鐵管容易受到地震破壞，維尼龍管、機(jī)械接頭的鑄鐵管具有較好的抗震性能，柔性鑄鐵管、焊接鋼管具有較可靠的抗震性能；4）管徑、壁厚以及異型連接：口徑大的管道抗震性能較好，在T字型部位、彎曲部位、與設(shè)施的連接位置等異型管道位置容易發(fā)生地震破壞；5）地震強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間：跟其他設(shè)施一樣，地震強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，地震破壞就會(huì)比較嚴(yán)重；6）管道埋設(shè)年代、腐蝕狀態(tài)等：埋設(shè)年代久、發(fā)生腐蝕的管道容易發(fā)生地震破壞。14.7 生命線工程的系統(tǒng)性特征以及防災(zāi)措施生命線工程的一個(gè)重要特征是形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，抗震設(shè)計(jì)研究不僅僅要確保構(gòu)件的抗震能力，而且需要