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

1常用地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論

自20世紀(jì)末，全球各地區(qū)均記載了強(qiáng)震對(duì)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(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展期。我國(guó)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(kāi)始的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范理論并不成熟，抗震設(shè)計(jì)方面的規(guī)定只是單純地套用地上結(jié)構(gòu)所受地震時(shí)的加速度反應(yīng)公式，或者僅僅對(duì)圍巖水土壓力進(jìn)行一定程度的放大，計(jì)算結(jié)構(gòu)較實(shí)際情況有很大誤差。針對(duì)各相關(guān)行業(yè)中抗震設(shè)計(jì)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(shí)程分析法等幾種。例如，在給排水工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50032—2003）[1]針對(duì)地下水池結(jié)構(gòu)，提出應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加動(dòng)土壓力、動(dòng)水壓力、自重慣性力作用，然而該計(jì)算方法是從振型分解反應(yīng)譜演變而來(lái)，計(jì)算時(shí)僅考慮對(duì)靜水土壓力考慮一定程度的增大，并未詳細(xì)解釋該計(jì)算理論。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本經(jīng)歷了數(shù)次強(qiáng)震影響，地下結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，大型軌道交通車(chē)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(jì)方法[11]，并分別給出了適用范圍，這些計(jì)算方法考慮了土與圍巖在地震時(shí)的相互反應(yīng)，甚至一定程度上考慮了地震時(shí)水的劇烈晃動(dòng)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(dòng)水壓力、動(dòng)土壓力，并采用相應(yīng)的計(jì)算理論分別求出各部分受力，進(jìn)而得出地震荷載組合值（見(jiàn)圖1）。1.2反應(yīng)位移法?？紤]在地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)的變形受周?chē)貙幼冃蔚目刂?，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(dòng)力響應(yīng)，而內(nèi)水的地震動(dòng)力響應(yīng)較為復(fù)雜，而比較簡(jiǎn)單的處理方式仍然是采用靜力模擬的方式來(lái)分析水壓力，即考慮動(dòng)水荷載與地震荷載的最不利組合。1.3反應(yīng)加速度法。當(dāng)采用有限元方法分析結(jié)構(gòu)受力時(shí)，可針對(duì)土層與結(jié)構(gòu)在發(fā)生最大位移時(shí)，通過(guò)對(duì)模型施加反應(yīng)加速度，再分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。該方法可參見(jiàn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50909—2014）（見(jiàn)圖3）。1.4時(shí)程分析法。當(dāng)結(jié)構(gòu)、土層復(fù)雜，抗震要求較高時(shí)，可采用時(shí)程分析法具體分析，即通過(guò)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(dòng)力響應(yīng)。2018年頒布的《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51336—2018）[9]在一系列抗震設(shè)計(jì)規(guī)范基礎(chǔ)上做了較全面的補(bǔ)充和完善，幾乎囊括了地下污水處理廠可能會(huì)涉及的各種結(jié)構(gòu)類(lèi)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(jì)方面存在的問(wèn)題

2.1地下污水處理廠池壁抗震受力計(jì)算。在分析水池池壁的抗震承載力時(shí)，地震作用力的取值存在一定爭(zhēng)議。從工程設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，水池結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》（GB50909—2014）[8]。這兩本規(guī)范所規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)理論和方法截然不同，目前各行業(yè)的抗震設(shè)計(jì)理論各有其特點(diǎn)和適用性，見(jiàn)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(diǎn)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(dòng)力等效應(yīng)；另一方面，水的晃動(dòng)進(jìn)一步對(duì)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(dòng)力工程中，白文婷等人分析了流固耦合對(duì)矩形水池的地震反應(yīng)譜的影響，認(rèn)為單向水池池壁在長(zhǎng)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(mǎn)足工藝要求，難以完全避免不規(guī)則或局部薄弱點(diǎn)的出現(xiàn)，此時(shí)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(jì)時(shí)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?chē)?yán)重影響其抗震性能的布置形式，成為工程設(shè)計(jì)人員需要研究的方向。然而由于水池結(jié)構(gòu)在強(qiáng)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(jì)中仍然存在很大的隨意性，這給水池的抗震性能帶來(lái)了一定的安全隱患。2.4地下結(jié)構(gòu)設(shè)縫形式對(duì)抗震設(shè)計(jì)的影響。大型的水處理構(gòu)筑物長(zhǎng)度方面遠(yuǎn)超《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wú)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(mǎn)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(mǎn)足溫度作用下的變形效應(yīng)，卻在抗震工況下形成一個(gè)復(fù)雜的受力點(diǎn)，若將縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)看成獨(dú)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(diǎn)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(gè)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(wú)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(jì)規(guī)程》（CECS138：2002），池壁需要在靜水壓力、靜外水土壓力下達(dá)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(gè)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(jìn)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(jìn)行分析和研究的。對(duì)于以池壁為主的水池結(jié)構(gòu)，整個(gè)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(qiáng)弱。對(duì)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(shí)，無(wú)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(shuō)其側(cè)向反應(yīng)位移差較小。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，一個(gè)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(jí)，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(jì)（見(jiàn)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(duì)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(lèi)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(duì)結(jié)構(gòu)地震作用下的受力影響，在基坑開(kāi)挖時(shí)，將地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)圍巖進(jìn)行一定范圍的超挖，并用土回填，形成類(lèi)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(qiáng)弱構(gòu)件設(shè)置要點(diǎn)。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(lèi)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(lèi)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(gè)復(fù)雜的力學(xué)體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮由抗側(cè)剛度較大的墻體來(lái)承受地震力，避免較大的側(cè)向力作用在薄弱構(gòu)件上（見(jiàn)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(rèn)為應(yīng)盡可能避免，或采取必要的構(gòu)造加強(qiáng)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(duì)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(yǔ)

通常情況下，由于水池結(jié)構(gòu)對(duì)變形和裂縫的嚴(yán)格控制要求，當(dāng)所設(shè)計(jì)的水池滿(mǎn)足了變形和裂縫要求時(shí)，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?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50032—2003）中所提的方法進(jìn)行抗震承載力校核，大多數(shù)情況都可以滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，因此抗震分析未能得到工程設(shè)計(jì)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(xì)分析各類(lèi)特殊結(jié)構(gòu)的水池抗震性能，則會(huì)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(diǎn)，在地震作用下，這些薄弱點(diǎn)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(jì)特點(diǎn)、存在的問(wèn)題，以及在抗震計(jì)算方面的方法選取、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式的注意點(diǎn)等內(nèi)容。然而水池結(jié)構(gòu)形式多樣，抗震設(shè)計(jì)工作也經(jīng)常要針對(duì)特殊情況特殊對(duì)待；同時(shí)由于地下結(jié)構(gòu)抗震方面的理論仍有待實(shí)踐驗(yàn)證，且水的地震響應(yīng)分析仍有很多疑點(diǎn)，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(jìn)一步研究和分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50032—2003，室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]CECS138：2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3]GB50111—2006，鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTGB02—2013，公路工程抗震規(guī)范[S].

[5]DG/TJ08-2064—2009，地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB50267—1997，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]GB50909—2014，城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]GB/T51336—2018，地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

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

作者:王剛 單位:上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司