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1、工程结构抗震第十四章地下结构物抗震设计概要第十四章地下结构物抗震设计概要第十四章地下结构物抗震设计概要第十四章地下结构物抗震设计概要14.1 14.1 概述概述（1） 地震破坏地下结构抗震性能相对较好，除了强度较低的管线外，地震破坏比较少。需要抗震设计的地下结构物主要是建在软土场地中的沉管隧道；盾构隧道；管线（细长）；地下空间（具有平面尺寸）等。水平细长结构井筒结构地下空间地下空间的地震破坏实例地下车站RC柱子的地震破坏沉管隧道：预制节段，下沉，连接，回填。港珠澳大桥采用沉管隧道盾构隧道：钻洞施工方法（2）地下结构地震响应的基本特点与地面结构有较大差异，地下结构震动与周围场地相似。结构质量与场
2、地相比相对较小（因为是空洞结构）,地震惯性力比较小（因为质量小），不起支配作用阻尼很大，周围受到场地土的约束，不容易发生振动场地变形（或者应变）和结构抵抗场地变形的能力是决定结构地震响应及抗震安全的主要因素。14.2 14.2 抗震设计方法的基本思想以及国内外设计方法抗震设计方法的基本思想以及国内外设计方法1960年代，由美国著名学者G.W.Housner教授领导的课题组对隧道抗震设计方法进行了系统研究，首次提出用场地变形计算结构地震响应和验算沉管隧道抗震安全的设计方法，这对地下线状结构抗震设计有极其深远的影响，奠定了地下管道和隧道抗震设计的理论基础。地震灾害资料证实了这种设计方法的合理性，隧
3、道的地震破坏多数发生在液化场地、断裂滑移场地、不均匀场地等地段，过大的场地变形是导致隧道地震破坏的直接原因。根据对地下结构地震响应实地观测和振动台试验研究结果，隧道的地震响应和地震破坏具有以下几个特点： 1)隧道内部的地震加速度与周围场地的地震加速度基本相同； 2)结构地震响应最大时刻不发生在地震加速度最大的时间段； 3)隧道自身惯性力影响非常小，其影响可以忽略不计； 4)隧道纵向应变中轴向应变大于弯曲应变； 5)纵向变形主要由柔性接头吸收；横向断面的应变主要是由于结构断面形状变形引起的； 6)土与结构之间的相互作用不可忽视，周围土层的剪切力对隧道地震内力有比较大的影响； 7)液化场地、断裂滑
4、移场地、不均匀场地容易发生地震破坏。上述结论都证明了用场地变形作为荷载条件的隧道抗震设计理论是合理的。许多设计规范均以此为基础，以场地地震运动、土与结构相互作用为重点编制隧道的抗震设计规范，其设计方法、计算理论体系已基本成形。 1972年日本结合成田机场输油管建设，道路协会编制的石油管道技术标准，全面采用了BART隧道抗震设计的基本概念，采用等价两层地层结构的计算模型，用正弦波作为输入条件计算场地的变形计算管道的地震响应、验算管道的抗震安全。没有考虑不均匀场地地震运动计算方法和柔性接头的计算方法，正弦波的波长是根据土的剪切波速和覆盖层厚度计算得到。1974年日本土木学会提出沉管隧道抗震设计指针
5、（案）。首次明确将场地位移作为地震作用的设计方法称为“响应变位法”。由于沉管隧道抗震设计指针（案）译成中文，因此在我国地下隧道抗震、地下管线抗震设计中有着深远的影响。沉管隧道抗震设计指针（案）中结构抗震设计采用了响应变位法、震度法、动力计算分析法三种方法，其中换气塔的地震响应采用震度法和动力计算法计算，场地地震变形采用响应变位法计算。当地形、地质等场地条件以及隧道截面在纵向发生显著变化时，将隧道沿纵向离散成多质点体系，通过动力响应计算得到。根据1978年的宫城地震灾害经验，日本煤气协会在1982年编制了煤气管道抗震设计指针，该指针继承了石油管道抗震设计技术基准的基本方法，新增加了场地或者结构变
6、化显著位置的结构设计方法，并用应变值验算管道的抗震安全，计算时考虑场地土与管道之间的滑移影响。1997年，又结合阪神地震的灾害教训，日本煤气协会进一步提出考虑二水准设防的抗震设计规范改订版，并增加了场地变化以及液化场地的管道抗震设计方法。日本道路协会1986年提出了共同沟抗震设计指针，在指针中规定了有关液化方法的计算内容，对液化发生的可能性、上浮力、下沉等计算方法作了相应的规定。设计方法也是响应变位法，与石油管道技术指针相同。增加了如下几点内容：带接头管道的截面内力折减；场地条件发生变化的管道截面力的修正；应力计算时截面内力的组合。 日本水道协于1979年颁布了日本水道设施抗震工法指针，并于1
7、997年在阪神地震以后进行了修改，设计方法采用响应变位法和震度法为基础，对于一些特殊条件的结构地震响应计算建议采用动力响应分析方法。其中，响应变位法基本上沿用了石油管道技术标准的方法，当有接头时给出了相应的管道应力计算方法。在1997年的改订版中，增加二级设防水准，在设计地震条件下采用弹性理论计算，在罕遇地震条件下采用弹塑性理论计算，容许结构发生地震损伤。同时给出了液化时场地变形计算和对应的安全验算方法。2000年，日本首都高速公路公团在阪神大地震以后对明挖隧道抗震设计基准进行了修订，从一水准设防扩大到二水准设防，在罕遇地震作用下考虑结构损伤的影响，按弹塑性分析计算结构的地震响应，省略了结构在
8、纵向地震响应的安全验算，并引入了动力时程计算方法。日本铁道综合技术研究所编制的铁道结构物等设计标准在2001年经过了1995年阪神大地震以后进行了修订，建立了多水准设防的抗震设计方法，在标准中规定了明挖隧道的抗震设计相关内容，认为地震时结构惯性力的影响较小，可以忽略不计。结构地震响应计算时要求考虑土与结构之间的相互作用，在罕遇地震作用下要求考虑土和结构非线性的影响，对位于液化场地的隧道需要进一步考虑液化的影响，给出了响应的计算方法。该标准给出了三种结构地震响应的计算方法：简易算法、响应变位法和动力时程计算方法，当隧道穿越地形复杂的场地时，场地和结构的地震响需要通过动力时程响应计算得到。在本规范
9、中，同时给出了不均匀场地的地震响应计算方法。美国交通运输部联邦公路管理局(FHWA)2009年颁布了公路隧道设计施工技术手册-土木分册，概要规定了隧道抗震的基本思路和方法，指出最近的隧道等地下结构严重破坏的重大破坏都与地基失效引起的场地较大位移有关，例如，断层破裂带穿过隧道，山体滑坡（特别是隧道入口处），以及砂土液化等。隧道结构地震响应主要采用场地变形方法，当结构相对于土介质的刚度较大时，必须考虑土-结构相互作用效应。我国1976年受到唐山地震巨大地震灾害影响，建设部于1978年首先颁布了室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范（TJ32-78），适用于7-9度地区的管道抗震设计。该规范根据剪切
10、波传播计算得到的场地变形考虑地震荷载验算管道的抗震安全。2003年9月开始执行新的室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范（GB50032-2003）是在室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范（TJ32-78）基础上的改订版，并批准改为国家标准，适用于设防烈度为6度至9度地区的室外给水排水和燃气热力工程设施的抗震设计。输油（气）钢质管道抗震设计规范（SY/T0450-2004）是石油天然气行业标准，代替原标准SY/T 0450-97。适用于6至9度地区的输油（气）钢质管道的抗震设计，规定了跨断层和跨液化区管道的设计方法和工程措施，增加了覆盖层对地表断层影响的有关规定。住建部在SY/T0450-2
11、004的基础上编制了油气输送管道线路工程抗震技术规范（GB50470-2008），对原规范进行了扩充和完善，是我国第一部管道线路工程抗震领域综合性的国家标准。建设部1998年颁布的国标核电厂抗震设计规范（GB50267-97）对地下管道的抗震设计方法给出了原则性的内容，对于均匀场地条件下的结构抗震采用地震波传播算法，复杂场地采用动力时程响应计算方法，采用集中质量法或者有限元模型模拟场地的影响，考虑土的非线性效应和能量透射边界，给出了考虑结构与土之间相互作用的地基土弹簧计算式。14.14.3 3 响应位移法响应位移法场地位移用正弦波给出，用弹性地基梁计算纵向计算由于场地变形作用在结构的力是通过地
12、基弹簧传递的，假定轴向的地基弹簧刚度为KA、横向弹簧刚度为KB，则结构的地震运动方程为： 式中，带*的v为结构变形、不带*的v为自由场地变形(轴向和横向),、A、E、I分别为结构密度、截面积、弹性模量、截面惯性矩。由于惯性力影响比较小，忽略第一项按静力问题计算。自由场地的变形由规范根据抗震设计要求确定。 Uh(z):地下z位置的水平位移Kh为设计震度(与烈度相关的系数)SV为速度反应VDS地表面的剪切波速 VBS基岩的剪切波速横断面计算考虑地震是的土动压力、周围土的剪力、结构惯性力地下空间结构，以横断面计算为主有限元计算方法14.14.4 4 生命线工程的特征以及抗震研究特点生命线工程的特征以
13、及抗震研究特点电力、交通、通讯、煤气是居民日常生活的基础，水的供应以及废水、污水的排放是维持居民生活、保持清洁卫生的居住环境不可缺少的条件，这些设施称为城市生命线工程。 与其他土木建筑设施不同，城市生命线工程具有如下特征：覆盖范围广，且大部分设施分布在地下，检查、修复比较困难，恢复需要很长时间，对灾民灾后的日常生活、卫生条件影响较大。生命线设施牵涉到城市各个部门和每个家庭，实施统一的防灾行动计划比较困难，管理难度大。地震破坏不仅影响结构功能，同时还会引起严重的次生灾害，如煤气泄漏引起火灾和煤气中毒事故，供水系统瘫痪不但影响灾民的生活，而且也对伤员的救助、灭火消防、灾区的卫生条件等等都会带来很大
14、的影响。具有网络的工作特点，个别地方地震破坏会影响到整个网络系统的功能，且经过多年不断扩建形成的生命线设施抗震性能差异较大，新旧设施之间维持同等的抗震性能非常困难。不同类型的生命线之间相互影响，如电力系统的破坏会引起供水系统的瘫痪，道路交通的中断影响其他生命线设施的修复作业等等。14.5 14.5 生命线工程的抗震研究发展和现状生命线工程的抗震研究发展和现状开展生命线工程的抗震研究源于1971年美国San Fernando地震。在该地震中由于地下埋设管道等设施发生了大量的破损并引起严重的地震次生灾害，美国地震工程研究者从中认识到生命线设施抗震性能的重要性，加州大学洛杉矶分校C.M.Duke教授
15、将给排水、煤气、电力、通讯以及交通设施的抗震研究作为一个新的研究领域，提出生命线地震工程的新名词。1974年美国土木工程学会设立生命线地震工程技术委员会，其目的是提高既有生命线设施的抗震性能和抗震设计方法、抗震措施。我国在生命线工程抗震研究自1980年初期开始。经历1976年的唐山大地震以后，工程结构的抗震问题得到广泛重视。目前生命线工程抗震研究可以分为以下几个方面内容：地震灾害时的受灾状态把握和破坏机理分析；生命线工程各组成元素的地震响应计算方法、试验方法研究，特别是地下管道地震响应计算和抗震结构措施的研究；系统的抗震性能评估和加固技术研究；生命线工程抗震可靠度分析；生命线工程地震以后的紧急
16、措施、修复技术、恢复战略；生命线工程功能与社会、经济活动的相关性分析；预警和系统控制；风险分析；其他。14.6 14.6 生命线工程的地震破坏特点生命线工程的地震破坏特点根据过去的地震灾害统计资料，得到以下几点结论：管道破坏与地面最大加速度之间未必存在比例关系。液化对管道地震破坏影响非常大，液化地基中管道破坏比较严重。地下管道地震破坏主要与以下几个方面有关：1）场地类型：容易发生场地变形的软弱场地、土层变化较大的场地中埋设的管道地震破坏比一般场合较严重；2）管道铺设状况：采用砂土回填土的管道破坏程度比较轻；3）管道材质、连接方法：管体强度较小的石棉管、陶管、混凝土管以及栓接钢管、铸铁管容易受到
17、地震破坏，维尼龙管、机械接头的铸铁管具有较好的抗震性能，柔性铸铁管、焊接钢管具有较可靠的抗震性能；4）管径、壁厚以及异型连接：口径大的管道抗震性能较好，在T字型部位、弯曲部位、与设施的连接位置等异型管道位置容易发生地震破坏；5）地震强度、持续时间：跟其他设施一样，地震强度大、持续时间长，地震破坏就会比较严重；6）管道埋设年代、腐蚀状态等：埋设年代久、发生腐蚀的管道容易发生地震破坏。14.7 14.7 生命线工程的系统性特征以及防灾措施生命线工程的系统性特征以及防灾措施生命线工程的一个重要特征是形成网络系统，抗震设计研究不仅仅要确保构件的抗震能力，而且需要考虑系统在地震发生时的工作性能。国内外生命线工程的抗震研究主流从原始的“构件抗震能力”研究向“城市抗震可靠性”方向转移。 生命线的抗震防灾具有如下的特征：1）网络分布面广，管线铺设一般无法避免抗震不利的场地；2）网络具有层次结构，下层的管线数量多、管径小，在地震中比较容易发生地震破坏；3）网络的线路设计可以改善系统的抗震性能。因此，抗震设防最根本的理念是：1）提高城市的抗震安全性；2）提高城市的系统抗震可靠性。抗震措施需要考虑的： 防止服务功能的丧失； 防止服务质量和安全性的丧失； 确保生命线工程设施的安全性。
