導(dǎo)語：地下水池結(jié)構(gòu)抗震概念研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1常用地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論

自20世紀末，全球各地區(qū)均記載了強震對地下結(jié)構(gòu)所造成的破壞，隨后關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的抗震技術(shù)研究進入了一個快速發(fā)展期。我國許多相關(guān)行業(yè)都曾推出關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震的行業(yè)規(guī)范。然而，最開始的抗震設(shè)計規(guī)范理論并不成熟，抗震設(shè)計方面的規(guī)定只是單純地套用地上結(jié)構(gòu)所受地震時的加速度反應(yīng)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(jié)構(gòu)較實際情況有很大誤差。針對各相關(guān)行業(yè)中抗震設(shè)計理論方法，大概可以總結(jié)為擬靜力法、反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法、時程分析法等幾種。例如，在給排水工程設(shè)計領(lǐng)域，《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50032—2003）[1]針對地下水池結(jié)構(gòu)，提出應(yīng)對結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jīng)歷了數(shù)次強震影響，地下結(jié)構(gòu)破壞嚴重，大型軌道交通車站、城市給排水網(wǎng)絡(luò)均有不同程度的破壞，這迫使日本地下結(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)，甚至一定程度上考慮了地震時水的劇烈晃動效應(yīng)影響。1.1擬靜力法?？紤]結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)位移法。考慮在地震時地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力和內(nèi)力，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，再分析有內(nèi)水工況下水池的動力響應(yīng)，而內(nèi)水的地震動力響應(yīng)較為復(fù)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(yīng)加速度法。當采用有限元方法分析結(jié)構(gòu)受力時，可針對土層與結(jié)構(gòu)在發(fā)生最大位移時，通過對模型施加反應(yīng)加速度，再分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。該方法可參見《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50909—2014）（見圖3）。1.4時程分析法。當結(jié)構(gòu)、土層復(fù)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(yīng)。2018年頒布的《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》（GB/T51336—2018）[9]在一系列抗震設(shè)計規(guī)范基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)類型。然而地下水池與傳統(tǒng)的不帶水結(jié)構(gòu)形式仍有很大差異。

2地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(shè)計的角度來說，水池結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)則遵循的是《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50909—2014）[8]。這兩本規(guī)范所規(guī)定的抗震設(shè)計理論和方法截然不同，目前各行業(yè)的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)與其他地下結(jié)構(gòu)最大的不同點就是內(nèi)部水的作用。地震工況下，水一方面受到地震力的作用，產(chǎn)生慣性力、晃動力等效應(yīng)；另一方面，水的晃動進一步對水池中其他構(gòu)筑物產(chǎn)生二次作用疊加，形成復(fù)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(yīng)譜的影響，認為單向水池池壁在長邊跨中處流固耦合效應(yīng)明顯，而在其他部位反應(yīng)譜放大不明顯[10]。然而在復(fù)雜水處理構(gòu)筑物中，考慮到結(jié)構(gòu)需要首先滿足工藝要求，難以完全避免不規(guī)則或局部薄弱點的出現(xiàn)，此時應(yīng)盡可能合理布置池壁和框架，避免較大流固耦合效應(yīng)的不利作用。2.3地下污水廠的抗震構(gòu)造措施研究。由于水池屬于一種工業(yè)構(gòu)筑物，設(shè)計時需要優(yōu)先考慮使用功能，而不是結(jié)構(gòu)最大的規(guī)則性和合理性，因此合理設(shè)置抗震措施、規(guī)避嚴重影響其抗震性能的布置形式，成為工程設(shè)計人員需要研究的方向。然而由于水池結(jié)構(gòu)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(gòu)造措施布置尚未得到足夠重視，設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)縫形式對抗震設(shè)計的影響。大型的水處理構(gòu)筑物長度方面遠超《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）規(guī)定的可不設(shè)縫的間距，因此大型水池尤其是大型地下污水處理廠、調(diào)蓄池等構(gòu)筑物很難避免結(jié)構(gòu)變形縫的設(shè)置。然而與地上結(jié)構(gòu)設(shè)置的抗震縫不同，地下結(jié)構(gòu)無法設(shè)置留有一定間距的抗震縫，而必須以“引發(fā)縫”“完全縫”的形式布置，且中間需要埋設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)縫形式盡管可以滿足溫度作用下的變形效應(yīng)，卻在抗震工況下形成一個復(fù)雜的受力點，若將縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)看成獨立部分，則在地震作用下，理論上兩側(cè)結(jié)構(gòu)在變形縫處可能發(fā)生碰撞破壞。

3地下水池抗震特點與設(shè)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(diào)蓄池等工程中。根據(jù)整個地下水池埋設(shè)深度，還可以分為半地下結(jié)構(gòu)、全地下結(jié)構(gòu)；若根據(jù)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(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(tài)工況下的裂縫控制要求，因此池壁結(jié)構(gòu)比同規(guī)模的建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻有更大的抗側(cè)剛度，且整個構(gòu)筑物通常為一種扁平式結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，水池外池壁受到土層位移影響，借鑒反應(yīng)位移法的概念，水池在其高度范圍內(nèi)存在差異土層約束位移影響，進而使外部結(jié)構(gòu)受到外力產(chǎn)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(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)的抗震性能受到很多方面的影響，影響較大的是結(jié)構(gòu)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(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆蓋板。有現(xiàn)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(cè)向力差異均較小，或者說其側(cè)向反應(yīng)位移差較小。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，一個10m左右水平跨度的水池結(jié)構(gòu)，其上下表面處產(chǎn)生的反應(yīng)位移差僅為毫米級，因此形狀規(guī)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(fù)雜土層。按照傳統(tǒng)的反應(yīng)位移法，其適用于均質(zhì)土層或土層性質(zhì)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(yīng)位移差異也較大，若地下結(jié)構(gòu)設(shè)置于此類環(huán)境的圍巖中，則受到的地震反應(yīng)位移約束差異也很大，結(jié)構(gòu)受力將變得比較復(fù)雜。為了減小復(fù)雜土層對結(jié)構(gòu)地震作用下的受力影響，在基坑開挖時，將地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)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(jié)構(gòu)強弱構(gòu)件設(shè)置要點。水池結(jié)構(gòu)中存在大量厚薄不均的池壁、隔墻、梁板、柱子等構(gòu)件，剛度差異較大，其中池壁結(jié)構(gòu)類似于民建結(jié)構(gòu)中的剪力墻，具有很高的抗側(cè)剛度；而梁、板、柱等構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)類似于框架結(jié)構(gòu)，抗側(cè)剛度較弱，在地震工況下，地震力的傳遞和分配是一個復(fù)雜的力學(xué)體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡可能考慮由抗側(cè)剛度較大的墻體來承受地震力，避免較大的側(cè)向力作用在薄弱構(gòu)件上（見圖5）。例如，水池結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)的外挑渠道即屬于一種“上剛下柔”的結(jié)構(gòu)，筆者認為應(yīng)盡可能避免，或采取必要的構(gòu)造加強措施。又如，某水池中央設(shè)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(cè)力構(gòu)件是一種破壞效應(yīng)，如圖6所示。

4結(jié)語

通常情況下，由于水池結(jié)構(gòu)對變形和裂縫的嚴格控制要求，當所設(shè)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(jīng)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(shè)計規(guī)范》（GB50032—2003）中所提的方法進行抗震承載力校核，大多數(shù)情況都可以滿足強度要求，因此抗震分析未能得到工程設(shè)計人員的足夠重視。然而由于水池結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，若仔細分析各類特殊結(jié)構(gòu)的水池抗震性能，則會發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在各種各樣的不規(guī)則形和抗震薄弱點，在地震作用下，這些薄弱點極有可能發(fā)生破壞。

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

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[11]日本水道協(xié)會.水道施設(shè)耐震工法指南•解說[S].2009.

作者:王剛 單位:上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司