工程結構抗震課件：第十四章 地下結構物抗震設計概要

1、工程結構抗震第十四章地下結構物抗震設計概要14.1 概述（1） 地震破壞地下結構抗震性能相對較好，除了強度較低的管線外，地震破壞比較少。需要抗震設計的地下結構物主要是建在軟土場地中的沉管隧道；盾構隧道；管線（細長）；地下空間（具有平面尺寸）等。水平細長結構井筒結構地下空間地下空間的地震破壞實例地下車站RC柱子的地震破壞沉管隧道：預制節(jié)段，下沉，連接，回填。港珠澳大橋采用沉管隧道盾構隧道：鉆洞施工方法（2）地下結構地震響應的基本特點與地面結構有較大差異，地下結構震動與周圍場地相似。結構質量與場地相比相對較?。ㄒ驗槭强斩唇Y構）,地震慣性力比較小（因為質量?。黄鹬渥饔米枘岷艽?，周圍受到場地土的

2、約束，不容易發(fā)生振動場地變形（或者應變）和結構抵抗場地變形的能力是決定結構地震響應及抗震安全的主要因素。14.2 抗震設計方法的基本思想以及國內外設計方法1960年代，由美國著名學者G.W.Housner教授領導的課題組對隧道抗震設計方法進行了系統(tǒng)研究，首次提出用場地變形計算結構地震響應和驗算沉管隧道抗震安全的設計方法，這對地下線狀結構抗震設計有極其深遠的影響，奠定了地下管道和隧道抗震設計的理論基礎。地震災害資料證實了這種設計方法的合理性，隧道的地震破壞多數發(fā)生在液化場地、斷裂滑移場地、不均勻場地等地段，過大的場地變形是導致隧道地震破壞的直接原因。根據對地下結構地震響應實地觀測和振動臺試驗研究

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

4、互作用為重點編制隧道的抗震設計規(guī)范，其設計方法、計算理論體系已基本成形。 1972年日本結合成田機場輸油管建設，道路協(xié)會編制的石油管道技術標準，全面采用了BART隧道抗震設計的基本概念，采用等價兩層地層結構的計算模型，用正弦波作為輸入條件計算場地的變形計算管道的地震響應、驗算管道的抗震安全。沒有考慮不均勻場地地震運動計算方法和柔性接頭的計算方法，正弦波的波長是根據土的剪切波速和覆蓋層厚度計算得到。1974年日本土木學會提出沉管隧道抗震設計指針（案）。首次明確將場地位移作為地震作用的設計方法稱為“響應變位法”。由于沉管隧道抗震設計指針（案）譯成中文，因此在我國地下隧道抗震、地下管線抗震設計中有著

5、深遠的影響。沉管隧道抗震設計指針（案）中結構抗震設計采用了響應變位法、震度法、動力計算分析法三種方法，其中換氣塔的地震響應采用震度法和動力計算法計算，場地地震變形采用響應變位法計算。當地形、地質等場地條件以及隧道截面在縱向發(fā)生顯著變化時，將隧道沿縱向離散成多質點體系，通過動力響應計算得到。根據1978年的宮城地震災害經驗，日本煤氣協(xié)會在1982年編制了煤氣管道抗震設計指針，該指針繼承了石油管道抗震設計技術基準的基本方法，新增加了場地或者結構變化顯著位置的結構設計方法，并用應變值驗算管道的抗震安全，計算時考慮場地土與管道之間的滑移影響。1997年，又結合阪神地震的災害教訓，日本煤氣協(xié)會進一步提出

6、考慮二水準設防的抗震設計規(guī)范改訂版，并增加了場地變化以及液化場地的管道抗震設計方法。日本道路協(xié)會1986年提出了共同溝抗震設計指針，在指針中規(guī)定了有關液化方法的計算內容，對液化發(fā)生的可能性、上浮力、下沉等計算方法作了相應的規(guī)定。設計方法也是響應變位法，與石油管道技術指針相同。增加了如下幾點內容：帶接頭管道的截面內力折減；場地條件發(fā)生變化的管道截面力的修正；應力計算時截面內力的組合。 日本水道協(xié)于1979年頒布了日本水道設施抗震工法指針，并于1997年在阪神地震以后進行了修改，設計方法采用響應變位法和震度法為基礎，對于一些特殊條件的結構地震響應計算建議采用動力響應分析方法。其中，響應變位法基本上

7、沿用了石油管道技術標準的方法，當有接頭時給出了相應的管道應力計算方法。在1997年的改訂版中，增加二級設防水準，在設計地震條件下采用彈性理論計算，在罕遇地震條件下采用彈塑性理論計算，容許結構發(fā)生地震損傷。同時給出了液化時場地變形計算和對應的安全驗算方法。2000年，日本首都高速公路公團在阪神大地震以后對明挖隧道抗震設計基準進行了修訂，從一水準設防擴大到二水準設防，在罕遇地震作用下考慮結構損傷的影響，按彈塑性分析計算結構的地震響應，省略了結構在縱向地震響應的安全驗算，并引入了動力時程計算方法。日本鐵道綜合技術研究所編制的鐵道結構物等設計標準在2001年經過了1995年阪神大地震以后進行了修訂，建

8、立了多水準設防的抗震設計方法，在標準中規(guī)定了明挖隧道的抗震設計相關內容，認為地震時結構慣性力的影響較小，可以忽略不計。結構地震響應計算時要求考慮土與結構之間的相互作用，在罕遇地震作用下要求考慮土和結構非線性的影響，對位于液化場地的隧道需要進一步考慮液化的影響，給出了響應的計算方法。該標準給出了三種結構地震響應的計算方法：簡易算法、響應變位法和動力時程計算方法，當隧道穿越地形復雜的場地時，場地和結構的地震響需要通過動力時程響應計算得到。在本規(guī)范中，同時給出了不均勻場地的地震響應計算方法。美國交通運輸部聯(lián)邦公路管理局(FHWA)2009年頒布了公路隧道設計施工技術手冊-土木分冊，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構嚴重破壞的重大破壞都與地基失效引起的場地較大位移有關，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。隧道結構地震響應主要采用場地變形方法，當結構相對于土介質的剛度較大時，必須考慮土-結構相互作用效應。我國1976年受到唐山地震巨大地震災害影響，建設部于1978年首先頒布了室外給水排水和煤氣熱力工程抗震設計規(guī)范（TJ32-78），適用于7-9度地區(qū)的管道抗震設計。該規(guī)范根據剪切波傳播計算得到的場地變形考慮地震荷載驗算管道的抗震安全。2003年9月開始執(zhí)行新的室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規(guī)范（GB50032-2003）是在室

10、外給水排水和煤氣熱力工程抗震設計規(guī)范（TJ32-78）基礎上的改訂版，并批準改為國家標準，適用于設防烈度為6度至9度地區(qū)的室外給水排水和燃氣熱力工程設施的抗震設計。輸油（氣）鋼質管道抗震設計規(guī)范（SY/T0450-2004）是石油天然氣行業(yè)標準，代替原標準SY/T 0450-97。適用于6至9度地區(qū)的輸油（氣）鋼質管道的抗震設計，規(guī)定了跨斷層和跨液化區(qū)管道的設計方法和工程措施，增加了覆蓋層對地表斷層影響的有關規(guī)定。住建部在SY/T0450-2004的基礎上編制了油氣輸送管道線路工程抗震技術規(guī)范（GB50470-2008），對原規(guī)范進行了擴充和完善，是我國第一部管道線路工程抗震領域綜合性的國家標

11、準。建設部1998年頒布的國標核電廠抗震設計規(guī)范（GB50267-97）對地下管道的抗震設計方法給出了原則性的內容，對于均勻場地條件下的結構抗震采用地震波傳播算法，復雜場地采用動力時程響應計算方法，采用集中質量法或者有限元模型模擬場地的影響，考慮土的非線性效應和能量透射邊界，給出了考慮結構與土之間相互作用的地基土彈簧計算式。14.3 響應位移法場地位移用正弦波給出，用彈性地基梁計算縱向計算由于場地變形作用在結構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，則結構的地震運動方程為： 式中，帶*的v為結構變形、不帶*的v為自由場地變形(軸向和橫向),、A、E、I分別為

12、結構密度、截面積、彈性模量、截面慣性矩。由于慣性力影響比較小，忽略第一項按靜力問題計算。自由場地的變形由規(guī)范根據抗震設計要求確定。 Uh(z):地下z位置的水平位移Kh為設計震度(與烈度相關的系數)SV為速度反應VDS地表面的剪切波速 VBS基巖的剪切波速橫斷面計算考慮地震是的土動壓力、周圍土的剪力、結構慣性力地下空間結構，以橫斷面計算為主有限元計算方法14.4 生命線工程的特征以及抗震研究特點電力、交通、通訊、煤氣是居民日常生活的基礎，水的供應以及廢水、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，這些設施稱為城市生命線工程。 與其他土木建筑設施不同，城市生命線工程具有如下

13、特征：覆蓋范圍廣，且大部分設施分布在地下，檢查、修復比較困難，恢復需要很長時間，對災民災后的日常生活、衛(wèi)生條件影響較大。生命線設施牽涉到城市各個部門和每個家庭，實施統(tǒng)一的防災行動計劃比較困難，管理難度大。地震破壞不僅影響結構功能，同時還會引起嚴重的次生災害，如煤氣泄漏引起火災和煤氣中毒事故，供水系統(tǒng)癱瘓不但影響災民的生活，而且也對傷員的救助、滅火消防、災區(qū)的衛(wèi)生條件等等都會帶來很大的影響。具有網絡的工作特點，個別地方地震破壞會影響到整個網絡系統(tǒng)的功能，且經過多年不斷擴建形成的生命線設施抗震性能差異較大，新舊設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施的修復作業(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San Fernando地震。在該地震中由于地下埋設管道等設施發(fā)生了大量的破損并引起嚴重的地震次生災害，美國地震工程研究者從中認識到生命線設施抗震性能的重要性，加州大學洛杉磯分校C.M.Duke教授將給排水、煤氣、電力、通訊以及交通設施的抗震研究作為一個新的研究領域，提出生命線地震工程的新名詞。1974年美國土木工程學會設立生命線地震工程技術委員會，其目的是提高既有生命線設施的抗震性能和抗震設計方法、抗震措施。我國在生命線工程抗震研究自1980年初期

15、開始。經歷1976年的唐山大地震以后，工程結構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方面內容：地震災害時的受災狀態(tài)把握和破壞機理分析；生命線工程各組成元素的地震響應計算方法、試驗方法研究，特別是地下管道地震響應計算和抗震結構措施的研究；系統(tǒng)的抗震性能評估和加固技術研究；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、修復技術、恢復戰(zhàn)略；生命線工程功能與社會、經濟活動的相關性分析；預警和系統(tǒng)控制；風險分析；其他。14.6 生命線工程的地震破壞特點根據過去的地震災害統(tǒng)計資料，得到以下幾點結論：管道破壞與地面最大加速度之間未必存在比例關系。液化對管道地震破壞影響非常大

16、，液化地基中管道破壞比較嚴重。地下管道地震破壞主要與以下幾個方面有關：1）場地類型：容易發(fā)生場地變形的軟弱場地、土層變化較大的場地中埋設的管道地震破壞比一般場合較嚴重；2）管道鋪設狀況：采用砂土回填土的管道破壞程度比較輕；3）管道材質、連接方法：管體強度較小的石棉管、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）地震強度、持續(xù)時間：跟其他設施一樣，地震強度大、持續(xù)時間長，地震破壞就會比較嚴重；6）管道埋設年代、腐蝕狀態(tài)等：埋設年代久、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)性特征以及防災措施生命線工程的一個重要特征是形成網絡系統(tǒng)，抗震設計研究不僅僅要確保構件的抗震能力，而且需要