建筑结构抗震设计第11章地下建筑抗震设计课件

建筑结构抗震设计第11章地下建筑抗震设计建筑结构抗震设计第11章地下建筑抗震设计1§11.1概述1995年日本阪神7.2级地震，神户市大开地铁车站中柱震损§11.1概述1995年日本阪神7.2级地震，神户市大开地22008年汶川8.0级地震中，都汶公路龙洞子隧道发生较严重损坏龙洞子隧道拱顶二衬塌落龙洞子隧道左洞环向剪切破坏带2008年汶川8.0级地震中，都汶公路龙洞子隧道发生较严重3§11.2地下建筑的震害特点（一）地下建筑的地震反应特点地震反应地下建筑地面建筑

——周围有围岩等介质约束结构需受土压力、地应力、地下水左右力、结构衬砌力等作用力及其环境与地面工程不同地震作用下振动特性与埋置地层的反应相关性较大——无围岩等介质约束，通过基础与地基连接需考虑风、雪荷载，梁、柱、板为主要传力构件地震作用下振动特性与地面结构材料及几何形态相关性大

对地下建筑来说，地震反应起主要作用的因素是地基的运动特性，结构形状的改变对地震反应的影响相对较小。§11.2地下建筑的震害特点（一）地下建筑的地震反应特点地震4（一）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：反应特点地下建筑地面建筑说明1自振特性不明显低阶震型较明显地下建筑结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用明显2地基震动影响较小有较大扰动根据工程波动理论，地下建筑上部场地为自由场3地震波入射方向影响较大影响较小地下建筑随地震入射播大小及较大变化地下结构各点的变形和应力可能发生较大4结构各点相位差十分明显影响不大5与地震加速度大小关系不明显衡量地震动反应的重要因素地下建筑地震反应与岩土介质在地震作用下的变形或应变大小的关系密切6埋深变化不明显影响地震反应7土-结相互作用地基地震动影响大自振特性影响大（一）地下建筑的地震反应特点反应特点地下建筑地面建筑说明1自5

根据震害调查，地下建筑结构破坏的主要点有：①地质条件较大变化区域容易发生破坏；②软弱土层中的地下工程地震破坏大；③上部覆盖土层越厚，破坏越轻；④衬砌厚度大的破坏的几率相对大；⑤形状、刚度发生变化部位易破坏，洞口常受地震破坏；⑥对称结构发生破坏的程度要比非对称结构轻。根据震害调查，地下建筑结构破坏的主要点有：6（二）地下建筑的抗震性能及震害

1)地下车库

震害形式：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。震害原因：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，从而在连接处发生了相对位移。

2)过街通道

震害形式：破坏主要是与电气、空调、给水排水和防灾设备有关的破坏。主体结构罕有破坏。3)城市地下空间综合体震害形式：主要为中柱破坏（地铁车站），结构主体受损相对较小。（二）地下建筑的抗震性能及震害

1)地下车库2)过街通7§11.3地下建筑抗震设计的一般规定（一）适用范围单建式地下建筑：地下车库、过街通道、地下变电站和地下空间综合体等；附建式地下建筑：抗震性能要求通常与地面建筑一致。§11.3地下建筑抗震设计的一般规定（一）适用范围8（二）抗震设防目标

单建式钢筋混凝土地下建筑结构的抗震等级，略高于高层建筑的地下室。1）丙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级：6、7度时不应低于四级；8、9度时不宜低于三级；2）乙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级：6、7度时不宜低于三级；8、9度时不宜低于二级。（二）抗震设防目标9（三）地下建筑的规则性及优化选型1）地下建筑抗震设计方案：根据建筑抗震设防类别、抗震

设防烈度、场地条件、地下建筑使用要求等条件进行综

合分析对比后确定。2）地下建筑建筑布置：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。3）地下建筑结构设计应具有等强度的概念。（四）地下建筑的场地要求1）单建式地下建筑宜建造在密实、均匀、稳定的地基上。2）处于软弱土、液化土或断层破碎带等不利地段时，应分析其对结构抗震稳定性的影响，采取相应措施。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，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。（三）地下建筑的规则性及优化选型10§11.4地下建筑的抗震计算（一）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：1)7度Ⅰ、Ⅱ类场地的丙类地下建筑。2)8度(0.20g)Ⅰ、Ⅱ类场地时，不超过2层、体型规则的中小跨度丙类地下建筑。（二）计算模型和设计参数的选取1)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；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。§11.4地下建筑的抗震计算（一）可不进行抗震计算分析的范112)结构模型的选取平面应变分析模型：地层分布均匀、规则且具有对称轴

的纵向较长的地下建筑。（反应位移法、等效水平地震

加速度法、等效侧力法）空间结构分析计算模型：长宽比和高宽比均小于3及不适用平面应变分析模型的。（土层–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计算模型。2)结构模型的选取123)地震作用的方向水平地震作用：长条形地下结构：按平面应变问题分析时，一般可仅考虑沿结构横向的水平地震作用；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，设防烈度为7度，也可考虑竖向地震作用效应的综合作用。采用土层-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。3)地震作用的方向13（三）地下建筑抗震计算方法

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。

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。地下建筑抗震分析方法波动法相互作用法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。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现。实际工程设计中采用较多的是等效侧力法、等效水平地震加速度法、反应位移法和土层–结构时程分析法四种方法。（三）地下建筑抗震计算方法地下建筑抗震分析方法波动法以解波动14（l）等效侧力法。计算原理：将地下结构的地震反应简化为作用在结构上

的等效水平地震惯性力的作用效应，再用静力计算模型

对结构内力进行分析的方法。水平地震力的组成：①结构自身的惯性力；②地震时上覆土对顶板的水平剪应力；③地震引起的结构一侧地层的主动土压力增量。基本假定：①结构与土体均为各向同性的线弹性体；②结构计算模型简化为平面应变问题；③忽略土与结构之间的相互作用。适用条件：①地下结构与地面建、构筑物合建，即作为上部结构的基础时；②与围岩的重量相比，结构自身的重量较大时。（l）等效侧力法。15（2）等效水平地震加速度法计算原理：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。适用条件：用于平面应变问题的地震反应分析计算模型：土体用平面应变单元、结构用梁单元进行模拟，模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（2）等效水平地震加速度法等效水平地震加速度法的平面应变计算16（3）反应位移法计算原理：求得地下结构所在位置土层动力反应位移的

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地基弹簧上，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。需考虑的力：①侧向力P(z)：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P(z)；②惯性力：结构自重产生的惯性力；③剪切力：结构与周围土层之间的剪切力。（3）反应位移法17长条形地下建筑反应位移法的等效侧向荷载长条形地下建筑反应位移法的等效侧向荷载18（4）土层–结构时程分析法计算原理：将结构和周围地基作为一个体系，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

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面设计。适用条件：具有普遍适应性。周围土层分布不规则、不对称，长宽比和高宽比均小于3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均适用。计算需关注的问题：①计算区域及边界条件；②地面以下地震作用的大小；③地下结构的重力荷载；④土层的计算参数。（4）土层–结构时程分析法19（四）地下建筑抗震验算地下建筑的抗震验算尚应符合下列规定：(1)应进行多遇地震作用下截面承载力和构件变形的抗

震验算。(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体等，尚应进行罕遇地震作用下的抗震变形验算。(3)在有可能液化地基中建造地下建筑结构时，应注意验算液化时其抗浮稳定性。（四）地下建筑抗震验算20§11.5地下建筑的抗震措施（一）地下建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：(1)钢筋混凝土地下建筑宜采用现浇结构。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。(2)地下建筑的顶板、底板和楼板宜采用梁板结构。（二）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：(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施。(2)进行地下结构液化上浮验算，必要时采取增设抗拔桩、配置压重等相应的抗浮措施。(3)存在液化土薄夹层，或施工中深度大于20m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。

§11.5地下建筑的抗震措施（一）地下建筑结构的抗震构造措施21（三）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

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；干砌块石回填时应注浆加强。（三）其它抗震构造措施22第十一章结束！第十一章结束！23建筑结构抗震设计第11章地下建筑抗震设计建筑结构抗震设计第11章地下建筑抗震设计24§11.1概述1995年日本阪神7.2级地震，神户市大开地铁车站中柱震损§11.1概述1995年日本阪神7.2级地震，神户市大开地252008年汶川8.0级地震中，都汶公路龙洞子隧道发生较严重损坏龙洞子隧道拱顶二衬塌落龙洞子隧道左洞环向剪切破坏带2008年汶川8.0级地震中，都汶公路龙洞子隧道发生较严重26§11.2地下建筑的震害特点（一）地下建筑的地震反应特点地震反应地下建筑地面建筑

——周围有围岩等介质约束结构需受土压力、地应力、地下水左右力、结构衬砌力等作用力及其环境与地面工程不同地震作用下振动特性与埋置地层的反应相关性较大——无围岩等介质约束，通过基础与地基连接需考虑风、雪荷载，梁、柱、板为主要传力构件地震作用下振动特性与地面结构材料及几何形态相关性大

对地下建筑来说，地震反应起主要作用的因素是地基的运动特性，结构形状的改变对地震反应的影响相对较小。§11.2地下建筑的震害特点（一）地下建筑的地震反应特点地震27（一）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：反应特点地下建筑地面建筑说明1自振特性不明显低阶震型较明显地下建筑结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用明显2地基震动影响较小有较大扰动根据工程波动理论，地下建筑上部场地为自由场3地震波入射方向影响较大影响较小地下建筑随地震入射播大小及较大变化地下结构各点的变形和应力可能发生较大4结构各点相位差十分明显影响不大5与地震加速度大小关系不明显衡量地震动反应的重要因素地下建筑地震反应与岩土介质在地震作用下的变形或应变大小的关系密切6埋深变化不明显影响地震反应7土-结相互作用地基地震动影响大自振特性影响大（一）地下建筑的地震反应特点反应特点地下建筑地面建筑说明1自28

根据震害调查，地下建筑结构破坏的主要点有：①地质条件较大变化区域容易发生破坏；②软弱土层中的地下工程地震破坏大；③上部覆盖土层越厚，破坏越轻；④衬砌厚度大的破坏的几率相对大；⑤形状、刚度发生变化部位易破坏，洞口常受地震破坏；⑥对称结构发生破坏的程度要比非对称结构轻。根据震害调查，地下建筑结构破坏的主要点有：29（二）地下建筑的抗震性能及震害

1)地下车库

震害形式：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。震害原因：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，从而在连接处发生了相对位移。

2)过街通道

震害形式：破坏主要是与电气、空调、给水排水和防灾设备有关的破坏。主体结构罕有破坏。3)城市地下空间综合体震害形式：主要为中柱破坏（地铁车站），结构主体受损相对较小。（二）地下建筑的抗震性能及震害

1)地下车库2)过街通30§11.3地下建筑抗震设计的一般规定（一）适用范围单建式地下建筑：地下车库、过街通道、地下变电站和地下空间综合体等；附建式地下建筑：抗震性能要求通常与地面建筑一致。§11.3地下建筑抗震设计的一般规定（一）适用范围31（二）抗震设防目标

单建式钢筋混凝土地下建筑结构的抗震等级，略高于高层建筑的地下室。1）丙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级：6、7度时不应低于四级；8、9度时不宜低于三级；2）乙类钢筋混凝土地下结构的抗震等级：6、7度时不宜低于三级；8、9度时不宜低于二级。（二）抗震设防目标32（三）地下建筑的规则性及优化选型1）地下建筑抗震设计方案：根据建筑抗震设防类别、抗震

设防烈度、场地条件、地下建筑使用要求等条件进行综

合分析对比后确定。2）地下建筑建筑布置：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。3）地下建筑结构设计应具有等强度的概念。（四）地下建筑的场地要求1）单建式地下建筑宜建造在密实、均匀、稳定的地基上。2）处于软弱土、液化土或断层破碎带等不利地段时，应分析其对结构抗震稳定性的影响，采取相应措施。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，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。（三）地下建筑的规则性及优化选型33§11.4地下建筑的抗震计算（一）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：1)7度Ⅰ、Ⅱ类场地的丙类地下建筑。2)8度(0.20g)Ⅰ、Ⅱ类场地时，不超过2层、体型规则的中小跨度丙类地下建筑。（二）计算模型和设计参数的选取1)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；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。§11.4地下建筑的抗震计算（一）可不进行抗震计算分析的范342)结构模型的选取平面应变分析模型：地层分布均匀、规则且具有对称轴

的纵向较长的地下建筑。（反应位移法、等效水平地震

加速度法、等效侧力法）空间结构分析计算模型：长宽比和高宽比均小于3及不适用平面应变分析模型的。（土层–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计算模型。2)结构模型的选取353)地震作用的方向水平地震作用：长条形地下结构：按平面应变问题分析时，一般可仅考虑沿结构横向的水平地震作用；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，设防烈度为7度，也可考虑竖向地震作用效应的综合作用。采用土层-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。3)地震作用的方向36（三）地下建筑抗震计算方法

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。

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。地下建筑抗震分析方法波动法相互作用法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。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现。实际工程设计中采用较多的是等效侧力法、等效水平地震加速度法、反应位移法和土层–结构时程分析法四种方法。（三）地下建筑抗震计算方法地下建筑抗震分析方法波动法以解波动37（l）等效侧力法。计算原理：将地下结构的地震反应简化为作用在结构上

的等效水平地震惯性力的作用效应，再用静力计算模型

对结构内力进行分析的方法。水平地震力的组成：①结构自身的惯性力；②地震时上覆土对顶板的水平剪应力；③地震引起的结构一侧地层的主动土压力增量。基本假定：①结构与土体均为各向同性的线弹性体；②结构计算模型简化为平面应变问题；③忽略土与结构之间的相互作用。适用条件：①地下结构与地面建、构筑物合建，即作为上部结构的基础时；②与围岩的重量相比，结构自身的重量较大时。（l）等效侧力法。38（2）等效水平地震加速度法计算原理：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。适用条件：用于平面应变问题的地震反应分析计算模型：土体用平面应变单元、结构用梁单元进行模拟，模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（2）等效水平地震加速度法等效水平地震加速度法的平面应变计算39（3）反应位移法计算原理：求得地下结构所在位置土层动力反应位移的

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地基弹簧上，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。需考虑的力：①侧向力P(z)：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P(z)；②惯性力：结构自重产生的惯性力；③剪切力：结构与周围土层之间的剪切力。（3）反应位移法40长条形地下建筑反应位移法的等效侧向荷载长条形地下建筑反应位移法的等效侧向荷载41（4）土层–结构时程分析法计算原理：将结构和周围地基作为一个体系，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