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1常用地下結構抗震設計理論

自20世紀末，全球各地區均記載了強震對地下結構所造成的破壞，隨后關于地下結構的抗震技術研究進入了一個快速發展期。我國許多相關行業都曾推出關于結構抗震的行業規范。然而，最開始的抗震設計規范理論并不成熟，抗震設計方面的規定只是單純地套用地上結構所受地震時的加速度反應公式，或者僅僅對圍巖水土壓力進行一定程度的放大，計算結構較實際情況有很大誤差。針對各相關行業中抗震設計理論方法，大概可以總結為擬靜力法、反應位移法、反應加速度法、時程分析法等幾種。例如，在給排水工程設計領域，《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》（GB50032—2003）[1]針對地下水池結構，提出應對結構施加動土壓力、動水壓力、自重慣性力作用，然而該計算方法是從振型分解反應譜演變而來，計算時僅考慮對靜水土壓力考慮一定程度的增大，并未詳細解釋該計算理論。自20世紀90年代以來，日本經歷了數次強震影響，地下結構破壞嚴重，大型軌道交通車站、城市給排水網絡均有不同程度的破壞，這迫使日本地下結構抗震方面的研究有了較大理論突破。2009年的日本下水道抗震工法指南中羅列了一系列抗震設計方法[11]，并分別給出了適用范圍，這些計算方法考慮了土與圍巖在地震時的相互反應，甚至一定程度上考慮了地震時水的劇烈晃動效應影響。1.1擬靜力法。考慮結構在地震作用下受到自重慣性力、動水壓力、動土壓力，并采用相應的計算理論分別求出各部分受力，進而得出地震荷載組合值（見圖1）。1.2反應位移法。考慮在地震時地下結構的變形受周圍地層變形的控制，地層變形的一部分傳遞給結構，使結構產生應變、應力和內力，如圖2所示。在此基礎上，再分析有內水工況下水池的動力響應，而內水的地震動力響應較為復雜，而比較簡單的處理方式仍然是采用靜力模擬的方式來分析水壓力，即考慮動水荷載與地震荷載的最不利組合。1.3反應加速度法。當采用有限元方法分析結構受力時，可針對土層與結構在發生最大位移時，通過對模型施加反應加速度，再分析結構的動力響應。該方法可參見《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB50909—2014）（見圖3）。1.4時程分析法。當結構、土層復雜，抗震要求較高時，可采用時程分析法具體分析，即通過有限元模型建模，并輸入地震波，分析模型在輸入的地震波工況下的動力響應。2018年頒布的《地下結構抗震設計標準》（GB/T51336—2018）[9]在一系列抗震設計規范基礎上做了較全面的補充和完善，幾乎囊括了地下污水處理廠可能會涉及的各種結構類型。然而地下水池與傳統的不帶水結構形式仍有很大差異。

2地下結構抗震設計方面存在的問題

2.1地下污水處理廠池壁抗震受力計算。在分析水池池壁的抗震承載力時，地震作用力的取值存在一定爭議。從工程設計的角度來說，水池結構應該遵循《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》（GB50032—2003）[1]，然而水池通常隸屬于市政工程，而同屬于市政工程的軌道交通結構則遵循的是《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB50909—2014）[8]。這兩本規范所規定的抗震設計理論和方法截然不同，目前各行業的抗震設計理論各有其特點和適用性，見表1。2.2水池中水的地震作用分析。水池結構與其他地下結構最大的不同點就是內部水的作用。地震工況下，水一方面受到地震力的作用，產生慣性力、晃動力等效應；另一方面，水的晃動進一步對水池中其他構筑物產生二次作用疊加，形成復雜的受力體系。在核動力工程中，白文婷等人分析了流固耦合對矩形水池的地震反應譜的影響，認為單向水池池壁在長邊跨中處流固耦合效應明顯，而在其他部位反應譜放大不明顯[10]。然而在復雜水處理構筑物中，考慮到結構需要首先滿足工藝要求，難以完全避免不規則或局部薄弱點的出現，此時應盡可能合理布置池壁和框架，避免較大流固耦合效應的不利作用。2.3地下污水廠的抗震構造措施研究。由于水池屬于一種工業構筑物，設計時需要優先考慮使用功能，而不是結構最大的規則性和合理性，因此合理設置抗震措施、規避嚴重影響其抗震性能的布置形式，成為工程設計人員需要研究的方向。然而由于水池結構在強度方面通常具有一定的安全余量，其抗震性能和良好的抗震構造措施布置尚未得到足夠重視，設計中仍然存在很大的隨意性，這給水池的抗震性能帶來了一定的安全隱患。2.4地下結構設縫形式對抗震設計的影響。大型的水處理構筑物長度方面遠超《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）規定的可不設縫的間距，因此大型水池尤其是大型地下污水處理廠、調蓄池等構筑物很難避免結構變形縫的設置。然而與地上結構設置的抗震縫不同，地下結構無法設置留有一定間距的抗震縫，而必須以“引發縫”“完全縫”的形式布置，且中間需要埋設中埋式或外貼式止水帶，從而滿足防水要求。然而如此緊貼在一起的結構設縫形式盡管可以滿足溫度作用下的變形效應，卻在抗震工況下形成一個復雜的受力點，若將縫兩側結構看成獨立部分，則在地震作用下，理論上兩側結構在變形縫處可能發生碰撞破壞。

3地下水池抗震特點與設計要點

地下水池通常存在于大型地下污水廠、城市雨污水泵站、調蓄池等工程中。根據整個地下水池埋設深度，還可以分為半地下結構、全地下結構；若根據水池頂部是否加蓋，可以分為有蓋水池和無蓋水池。一般情況下，依據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS138：2002），池壁需要在靜水壓力、靜外水土壓力下達到正常使用極限狀態工況下的裂縫控制要求，因此池壁結構比同規模的建筑結構中的剪力墻有更大的抗側剛度，且整個構筑物通常為一種扁平式結構，整體性也比較好，所以通常情況下，水池具有良好的抗震性能。然而作為一種地下結構，水池外池壁受到土層位移影響，借鑒反應位移法的概念，水池在其高度范圍內存在差異土層約束位移影響，進而使外部結構受到外力產生彎矩，而這種差異變形影響有必要進行分析和研究的。對于以池壁為主的水池結構，整個結構的抗震性能受到很多方面的影響，影響較大的是結構的整體性。3.1水池整體剛度強弱。對于地下水池，水池頂部一般設鋼筋混凝土現澆蓋板。有現澆鋼筋混凝土蓋板的水池，整體水平剛度較大，整體分析時，無論水池是否完全埋置于土層中，其上下表面的側向力差異均較小，或者說其側向反應位移差較小。通過有限元分析發現，一個10m左右水平跨度的水池結構，其上下表面處產生的反應位移差僅為毫米級，因此形狀規則的有蓋水池受地震作用很小，幾乎可以忽略不計（見圖4）。3.2是否穿越復雜土層。按照傳統的反應位移法，其適用于均質土層或土層性質相近的多層土層，而對于土層起伏較大、土性變化較大的地層，其土層在地震作用下的反應位移差異也較大，若地下結構設置于此類環境的圍巖中，則受到的地震反應位移約束差異也很大，結構受力將變得比較復雜。為了減小復雜土層對結構地震作用下的受力影響，在基坑開挖時，將地下結構兩側圍巖進行一定范圍的超挖，并用土回填，形成類似于一種軟墊層的包裹體，在一定程度上降低地震力的影響。3.3結構強弱構件設置要點。水池結構中存在大量厚薄不均的池壁、隔墻、梁板、柱子等構件，剛度差異較大，其中池壁結構類似于民建結構中的剪力墻，具有很高的抗側剛度；而梁、板、柱等構件所組成的結構類似于框架結構，抗側剛度較弱，在地震工況下，地震力的傳遞和分配是一個復雜的力學體系。結構設計時應盡可能考慮由抗側剛度較大的墻體來承受地震力，避免較大的側向力作用在薄弱構件上（見圖5）。例如，水池結構中常出現的外挑渠道即屬于一種“上剛下柔”的結構，筆者認為應盡可能避免，或采取必要的構造加強措施。又如，某水池中央設置一根穿層柱，即使水在地震作用下可以耗能減震，但流體作用力對于抗側力構件是一種破壞效應，如圖6所示。

4結語

通常情況下，由于水池結構對變形和裂縫的嚴格控制要求，當所設計的水池滿足了變形和裂縫要求時，其在短暫工況下的承載能力已經有一定的富余量。而地震工況屬于一種偶然荷載組合，如果按照《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》（GB50032—2003）中所提的方法進行抗震承載力校核，大多數情況都可以滿足強度要求，因此抗震分析未能得到工程設計人員的足夠重視。然而由于水池結構的多樣性和復雜性，若仔細分析各類特殊結構的水池抗震性能，則會發現結構中存在各種各樣的不規則形和抗震薄弱點，在地震作用下，這些薄弱點極有可能發生破壞。

本文分析了多種邊界條件下的地下水池抗震設計特點、存在的問題，以及在抗震計算方面的方法選取、結構構造形式的注意點等內容。然而水池結構形式多樣，抗震設計工作也經常要針對特殊情況特殊對待；同時由于地下結構抗震方面的理論仍有待實踐驗證，且水的地震響應分析仍有很多疑點，水與結構在地震作用下的相互作用也比較復雜，仍需進一步研究和分析。

參考文獻：

[1]GB50032—2003，室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范[S].

[2]CECS138：2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[S].

[3]GB50111—2006，鐵路工程抗震設計規范[S].

[4]JTGB02—2013，公路工程抗震規范[S].

[5]DG/TJ08-2064—2009，地下鐵道建筑結構抗震設計規范[S].

[6]GB50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[7]GB50267—1997，核電廠抗震設計規范[S].

[8]GB50909—2014，城市軌道交通結構抗震設計規范[S].

[9]GB/T51336—2018，地下結構抗震設計標準[S].

[10]白文婷，馮國忠，賈磊，等.液-固耦合對矩形水池池壁反應譜的影響[J].核動力工程,2018,39（5）:122-125.

[11]日本水道協會.水道施設耐震工法指南•解說[S].2009.

作者:王剛 單位:上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司