建筑结构抗震设计第11章 地下建筑抗震设计
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建筑结构抗震设计第11章 地下建筑 抗震设计
§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
2008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
§11.2地下建筑的震害特点
（一）地下建筑的地震反应特点
地下建筑 ——周围有围岩等介质约束
（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
2) 结构模型的选取
I. 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）
II.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）
III.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。
C. 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。
（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。
地 分下 析建 方筑 法抗
震
波动法
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
3) 地震作用的方向
A. 水平地震作用：
① 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；
② 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。
B. 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。
相互作用法 用等效为弹簧和阻尼器，以相互作用力的方式出
现。
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。
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。
（l）等效侧力法。 A. 计算原理：将地下结构的地震反应简化为作用在结构上
（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 影响较大 影响较小 方向
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。 B. 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。 C. 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。 D. 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。
用
动影响大
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。
（二）地下建筑的抗震性能及震害 1) 地下车库
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。
§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 I.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； II.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。
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。
§11.3 地下建筑抗震设计的一般规定
（一）适用范围
① 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；
② 附建式地下建筑：抗震性能要求通常与地面建筑一致。
（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： I. 6、7度时不应低于四级； II.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： I. 6、7度时不宜低于三级； II.8、9度时不宜低于二级。
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 十分明显 影响不大 位差
5 与地震加速 不明显 度大小关系
衡量地震动反应 地下建筑地震反应与岩土介质在地震作用
的重要因素
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 地基地震 自振特性影响大
地
结构需受土压力、地应力、地下水左右力、结
震
构衬砌力等作用力及其环境与地面工程不同
反
地震作用下振动特性与埋置地层的反应相关性
应
较大
地面建筑
——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பைடு நூலகம்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。
§11.1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
2008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
§11.2地下建筑的震害特点
（一）地下建筑的地震反应特点
地下建筑 ——周围有围岩等介质约束
（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
2) 结构模型的选取
I. 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）
II.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）
III.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。
C. 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。
（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。
地 分下 析建 方筑 法抗
震
波动法
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
3) 地震作用的方向
A. 水平地震作用：
① 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；
② 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。
B. 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。
相互作用法 用等效为弹簧和阻尼器，以相互作用力的方式出
现。
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。
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。
（l）等效侧力法。 A. 计算原理：将地下结构的地震反应简化为作用在结构上
（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 影响较大 影响较小 方向
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。 B. 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。 C. 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。 D. 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。
用
动影响大
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。
（二）地下建筑的抗震性能及震害 1) 地下车库
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。
§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 I.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； II.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。
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。
§11.3 地下建筑抗震设计的一般规定
（一）适用范围
① 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；
② 附建式地下建筑：抗震性能要求通常与地面建筑一致。
（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： I. 6、7度时不应低于四级； II.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： I. 6、7度时不宜低于三级； II.8、9度时不宜低于二级。
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 十分明显 影响不大 位差
5 与地震加速 不明显 度大小关系
衡量地震动反应 地下建筑地震反应与岩土介质在地震作用
的重要因素
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 地基地震 自振特性影响大
地
结构需受土压力、地应力、地下水左右力、结
震
构衬砌力等作用力及其环境与地面工程不同
反
地震作用下振动特性与埋置地层的反应相关性
应
较大
地面建筑
——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பைடு நூலகம்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。