地下水池结构抗震概念研究

1常用地下结构抗震设计理论

自20世纪末，全球各地区均记载了强震对地下结构所造成的破坏，随后关于地下结构的抗震技术研究进入了一个快速发展期。我国许多相关行业都曾推出关于结构抗震的行业规范。然而，最开始的抗震设计规范理论并不成熟，抗震设计方面的规定只是单纯地套用地上结构所受地震时的加速度反应公式，或者仅仅对围岩水土压力进行一定程度的放大，计算结构较实际情况有很大误差。针对各相关行业中抗震设计理论方法，大概可以总结为拟静力法、反应位移法、反应加速度法、时程分析法等几种。例如，在给排水工程设计领域，《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB50032—2003）[1]针对地下水池结构，提出应对结构施加动土压力、动水压力、自重惯性力作用，然而该计算方法是从振型分解反应谱演变而来，计算时仅考虑对静水土压力考虑一定程度的增大，并未详细解释该计算理论。自20世纪90年代以来，日本经历了数次强震影响，地下结构破坏严重，大型轨道交通车站、城市给排水网络均有不同程度的破坏，这迫使日本地下结构抗震方面的研究有了较大理论突破。2009年的日本下水道抗震工法指南中罗列了一系列抗震设计方法[11]，并分别给出了适用范围，这些计算方法考虑了土与围岩在地震时的相互反应，甚至一定程度上考虑了地震时水的剧烈晃动效应影响。1.1拟静力法。考虑结构在地震作用下受到自重惯性力、动水压力、动土压力，并采用相应的计算理论分别求出各部分受力，进而得出地震荷载组合值（见图1）。1.2反应位移法。考虑在地震时地下结构的变形受周围地层变形的控制，地层变形的一部分传递给结构，使结构产生应变、应力和内力，如图2所示。在此基础上，再分析有内水工况下水池的动力响应，而内水的地震动力响应较为复杂，而比较简单的处理方式仍然是采用静力模拟的方式来分析水压力，即考虑动水荷载与地震荷载的最不利组合。1.3反应加速度法。当采用有限元方法分析结构受力时，可针对土层与结构在发生最大位移时，通过对模型施加反应加速度，再分析结构的动力响应。该方法可参见《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909—2014）（见图3）。1.4时程分析法。当结构、土层复杂，抗震要求较高时，可采用时程分析法具体分析，即通过有限元模型建模，并输入地震波，分析模型在输入的地震波工况下的动力响应。2018年颁布的《地下结构抗震设计标准》（GB/T51336—2018）[9]在一系列抗震设计规范基础上做了较全面的补充和完善，几乎囊括了地下污水处理厂可能会涉及的各种结构类型。然而地下水池与传统的不带水结构形式仍有很大差异。

2地下结构抗震设计方面存在的问题

2.1地下污水处理厂池壁抗震受力计算。在分析水池池壁的抗震承载力时，地震作用力的取值存在一定争议。从工程设计的角度来说，水池结构应该遵循《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB50032—2003）[1]，然而水池通常隶属于市政工程，而同属于市政工程的轨道交通结构则遵循的是《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909—2014）[8]。这两本规范所规定的抗震设计理论和方法截然不同，目前各行业的抗震设计理论各有其特点和适用性，见表1。2.2水池中水的地震作用分析。水池结构与其他地下结构最大的不同点就是内部水的作用。地震工况下，水一方面受到地震力的作用，产生惯性力、晃动力等效应；另一方面，水的晃动进一步对水池中其他构筑物产生二次作用叠加，形成复杂的受力体系。在核动力工程中，白文婷等人分析了流固耦合对矩形水池的地震反应谱的影响，认为单向水池池壁在长边跨中处流固耦合效应明显，而在其他部位反应谱放大不明显[10]。然而在复杂水处理构筑物中，考虑到结构需要首先满足工艺要求，难以完全避免不规则或局部薄弱点的出现，此时应尽可能合理布置池壁和框架，避免较大流固耦合效应的不利作用。2.3地下污水厂的抗震构造措施研究。由于水池属于一种工业构筑物，设计时需要优先考虑使用功能，而不是结构最大的规则性和合理性，因此合理设置抗震措施、规避严重影响其抗震性能的布置形式，成为工程设计人员需要研究的方向。然而由于水池结构在强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构造措施布置尚未得到足够重视，设计中仍然存在很大的随意性，这给水池的抗震性能带来了一定的安全隐患。2.4地下结构设缝形式对抗震设计的影响。大型的水处理构筑物长度方面远超《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）规定的可不设缝的间距，因此大型水池尤其是大型地下污水处理厂、调蓄池等构筑物很难避免结构变形缝的设置。然而与地上结构设置的抗震缝不同，地下结构无法设置留有一定间距的抗震缝，而必须以“引发缝”“完全缝”的形式布置，且中间需要埋设中埋式或外贴式止水带，从而满足防水要求。然而如此紧贴在一起的结构设缝形式尽管可以满足温度作用下的变形效应，却在抗震工况下形成一个复杂的受力点，若将缝两侧结构看成独立部分，则在地震作用下，理论上两侧结构在变形缝处可能发生碰撞破坏。

3地下水池抗震特点与设计要点

地下水池通常存在于大型地下污水厂、城市雨污水泵站、调蓄池等工程中。根据整个地下水池埋设深度，还可以分为半地下结构、全地下结构；若根据水池顶部是否加盖，可以分为有盖水池和无盖水池。一般情况下，依据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS138：2002），池壁需要在静水压力、静外水土压力下达到正常使用极限状态工况下的裂缝控制要求，因此池壁结构比同规模的建筑结构中的剪力墙有更大的抗侧刚度，且整个构筑物通常为一种扁平式结构，整体性也比较好，所以通常情况下，水池具有良好的抗震性能。然而作为一种地下结构，水池外池壁受到土层位移影响，借鉴反应位移法的概念，水池在其高度范围内存在差异土层约束位移影响，进而使外部结构受到外力产生弯矩，而这种差异变形影响有必要进行分析和研究的。对于以池壁为主的水池结构，整个结构的抗震性能受到很多方面的影响，影响较大的是结构的整体性。3.1水池整体刚度强弱。对于地下水池，水池顶部一般设钢筋混凝土现浇盖板。有现浇钢筋混凝土盖板的水池，整体水平刚度较大，整体分析时，无论水池是否完全埋置于土层中，其上下表面的侧向力差异均较小，或者说其侧向反应位移差较小。通过有限元分析发现，一个10m左右水平跨度的水池结构，其上下表面处产生的反应位移差仅为毫米级，因此形状规则的有盖水池受地震作用很小，几乎可以忽略不计（见图4）。3.2是否穿越复杂土层。按照传统的反应位移法，其适用于均质土层或土层性质相近的多层土层，而对于土层起伏较大、土性变化较大的地层，其土层在地震作用下的反应位移差异也较大，若地下结构设置于此类环境的围岩中，则受到的地震反应位移约束差异也很大，结构受力将变得比较复杂。为了减小复杂土层对结构地震作用下的受力影响，在基坑开挖时，将地下结构两侧围岩进行一定范围的超挖，并用土回填，形成类似于一种软垫层的包裹体，在一定程度上降低地震力的影响。3.3结构强弱构件设置要点。水池结构中存在大量厚薄不均的池壁、隔墙、梁板、柱子等构件，刚度差异较大，其中池壁结构类似于民建结构中的剪力墙，具有很高的抗侧刚度；而梁、板、柱等构件所组成的结构类似于框架结构，抗侧刚度较弱，在地震工况下，地震力的传递和分配是一个复杂的力学体系。结构设计时应尽可能考虑由抗侧刚度较大的墙体来承受地震力，避免较大的侧向力作用在薄弱构件上（见图5）。例如，水池结构中常出现的外挑渠道即属于一种“上刚下柔”的结构，笔者认为应尽可能避免，或采取必要的构造加强措施。又如，某水池中央设置一根穿层柱，即使水在地震作用下可以耗能减震，但流体作用力对于抗侧力构件是一种破坏效应，如图6所示。

4结语

通常情况下，由于水池结构对变形和裂缝的严格控制要求，当所设计的水池满足了变形和裂缝要求时，其在短暂工况下的承载能力已经有一定的富余量。而地震工况属于一种偶然荷载组合，如果按照《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB50032—2003）中所提的方法进行抗震承载力校核，大多数情况都可以满足强度要求，因此抗震分析未能得到工程设计人员的足够重视。然而由于水池结构的多样性和复杂性，若仔细分析各类特殊结构的水池抗震性能，则会发现结构中存在各种各样的不规则形和抗震薄弱点，在地震作用下，这些薄弱点极有可能发生破坏。

本文分析了多种边界条件下的地下水池抗震设计特点、存在的问题，以及在抗震计算方面的方法选取、结构构造形式的注意点等内容。然而水池结构形式多样，抗震设计工作也经常要针对特殊情况特殊对待；同时由于地下结构抗震方面的理论仍有待实践验证，且水的地震响应分析仍有很多疑点，水与结构在地震作用下的相互作用也比较复杂，仍需进一步研究和分析。

参考文献：

[1]GB50032—2003，室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范[S].

[2]CECS138：2002，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

[3]GB50111—2006，铁路工程抗震设计规范[S].

[4]JTGB02—2013，公路工程抗震规范[S].

[5]DG/TJ08-2064—2009，地下铁道建筑结构抗震设计规范[S].

[6]GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[7]GB50267—1997，核电厂抗震设计规范[S].

[8]GB50909—2014，城市轨道交通结构抗震设计规范[S].

[9]GB/T51336—2018，地下结构抗震设计标准[S].

[10]白文婷，冯国忠，贾磊，等.液-固耦合对矩形水池池壁反应谱的影响[J].核动力工程,2018,39（5）:122-125.

[11]日本水道协会.水道施设耐震工法指南•解说[S].2009.

作者:王刚 单位:上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司