Seismic design and analysis of underground structures

Underground facilities are an integral part of the infrastructure of modern society and are used for a wide range of applications, including subways and railways, highways, material storage, and sewage and water transport. Underground facilities built in areas subject to earthquake activity must withstand both seismic and static loading. Historically, underground facilities have experienced a lower rate of damage than surface structures. Nevertheless, some underground structures have experienced significant damage in recent large earthquakes, including the 1995 Kobe, Japan earthquake, the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake and the 1999 Kocaeli, Turkey earthquake. This report presents a summary of the current state of seismic analysis and design for underground structures. This report describes approaches used by engineers in quantifying the seismic effect on an underground structure. Deterministic and probabilistic seismic hazard analysis approaches are reviewed. The development of appropriate ground motion parameters, including peak accelerations and velocities, target response spectra, and ground motion time histories, is briefly described. In general, seismic design loads for underground structures are characterized in terms of the deformations and strains imposed on the structure by the surrounding ground, often due to the interaction between the two. In contrast, surface structures are designed for the inertial forces caused by ground accelerations. The simplest approach is to ignore the interaction of the underground structure with the surrounding ground. The free-field ground deformations due to a seismic event are estimated, and the underground structure is designed to accommodate these deformations. This approach is satisfactory when low levels of shaking are anticipated or the underground facility is in a stiff medium such as rock. Other approaches that account for the interaction between the structural supports and the surrounding ground are then described. In the pseudo-static analysis approach, the ground deformations are imposed as a static load and the soil-structure interaction does not include dynamic or wave propagation effects. In the dynamic analysis approach, a dynamic soil structure interaction is conducted using numerical analysis tools such as finite element or finite difference methods. The report discusses special design issues, including the design of tunnel segment joints and joints between tunnels and portal structures. Examples of seismic design used for underground structures are included in an appendix at the end of the report.     

浅埋地下结构地震反应分析的惯性力–位移法

现有的地下结构地震反应简化分析方法,如:地震系数法、自由场变形法、柔度系数法、反应位移法、反应加速度法和Pushover分析方法等,均没有考虑上覆回填堆积土体或地震中因剪切破坏失效后的上覆堆积土体在竖向地震作用下产生的惯性力效应。已有研究表明,这种上覆土体竖向惯性力效应对浅埋地下结构支撑构件的抗震性能(抗剪强度和极限变形)有重要影响,是评价浅埋地下结构抗震安全性的关键因素之一,不能忽视。为此,针对浅埋地下结构地震反应分析问题,提出了一种考虑上覆土体竖向惯性力影响的反应位移法,简称惯性力–位移法。给出了惯性力–位移法分析模型的两个关键参数确定方法,包括地基弹簧刚度及上覆土体最大竖向惯性力。工程实例分析结果表明,建议的惯性力–位移法与传统的反应位移法相比,不仅克服了传统的反应位移法不能给出中柱轴力的缺陷外,其它反应量的计算精度与之基本相当。     

地下结构抗震分析与设计的Pushover分析方法

在借鉴地上结构抗震分析的Pushover方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的Pushover分析方法.详细介绍该方法的实施步骤、基本功能与特点,给出适用于该方法的水平荷载分布形式与目标位移的确定方法.该方法能够反映土-结构之间的相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,得到地下结构的能力曲线;目标位移求解原理简单,根据目标位移可以得到结构的地震反应,进而可以对结构在地震作用下的变形与内力进行评估;计算得到的结构能力曲线与地震波的选取关系不大,计算结果具有较好的模拟精度,从而避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析.结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构Pushover分析方法的可靠性与良好的模拟精度,可以用于地下结构的抗震分析与设计中.     

Aseismic design of underground structures

This study defines the basis for the aseismic design of subsurface excavations and underground structures. It includes a definition of the seismic environment and earthquake hazard, and a review of the analytical and empirical tools that are available to the designer concerned with the performance of underground structures subjected to seismic loads. Particular attention is devoted to development of simplified models that appear to be applicable in many practical cases.     

地下结构抗震设计中的静力弹塑性分析方法

首先介绍目前地下结构抗震分析方法存在的主要问题,在借鉴地上结构静力弹塑性分析方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的静力弹塑性方法。详细介绍该方法的实施步骤与特点,给出水平等效惯性加速度的求解方法。该方法概念清晰、操作简单,能够在不需要计算相互作用系数的情况下较好地模拟土-结构之间的动力相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,给出地下结构在输入地震波作用下的峰值变形与内力,避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析。结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构静力弹塑性分析方法的可靠性及良好的模拟精度,可以应用于地下结构的抗震分析与设计中。     

建筑结构抗震设计若干问题的分析

分析了建筑结构抗震设计中存在的一系列问题,从抗震空间位置、建筑结构体系、建筑平面布置三方面,论述了抗震设计中应重视的内容,并提出了提高抗震设计水平的措施,从而满足建筑结构防震目标的要求。     

关于地铁工程中地下结构防水问题的思考

简述了地铁工程中地下的防水要求和防水设计,分析了地铁工程中地下结构的渗漏现象及原因,并从结构防水的选型与变形缝设置两方面,探讨了地铁结构防水设计中的问题,同时提出了相应的解决策略,有利于提高地铁地下结构的防水效果。     

Procedural characteristics of the design of underground structures installed with use of jet technology

A solution is proposed for procedural problems encountered with the design of underground structures installed using jet technology. A computational procedure is described for the design, and problems are formulated for promising future research. Recommendations to be used as an organizational standard (OS) are developed and confirmed by the Engineering and Research Center Z'ST and the Scientific-Research Institute of Foundations and Underground Structures on the basis of our proposals. Translated from Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, No. 2, pp. 12–16, March–April, 2009.     

高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析

本文通过工程设计实践,总结了高层建筑结构概念设计的一些相关问题,并就这些问题进行了较为详细的分析,以保证高层建筑结构设计结果的合理性、安全性和可靠性。     

浅层地下建筑围护结构传热模拟的一种新方法

地下建筑围护结构传热量模拟，是实现热湿环境系统动态模拟的基础课题。通过对浅层地下结构进行简化，并根据空调系统实际运行特点，建立了传热过程的数学模型。用气象模型产生作用于工程的地面空气温度，用线上求解技术实现传热过程的动态模拟。并通过两个实际工程的同步实测与模拟，确认了模拟模型的有效性和可行性。     

Application of the orthogonal design method in geotechnical parameter back analysis for underground structures

The back analysis method has been widely used as an indirect method of determining geotechnical parameters based on field measurements. The number of parameters and their initial values greatly influence the reliability and efficiency of back analysis. Therefore, sensitivity analysis is often employed to select high sensitivity parameters that have more greater impact on measured back analysis values. The orthogonal design method was first utilized to select geotechnical parameters for back analysis. The optimized parameter values obtained from an orthogonal design table can be used as the initial back analysis values, so as to avoid optimisation algorithm searching in local parameter spaces. By introducing a penalty function to the objective function, back analysis of the geotechnical parameters is changed into an unconstrained optimisation problem, whereby the Nelder–Mead method can then be employed. To verify the feasibility of the proposed back analysis method, a case study was conducted to determine the rock mass parameters for the Houziyan underground powerhouse complex.     

地下商场安全疏散设计有关问题分析

对比了相关消防技术规范对地下商场安全疏散规定的差异,并结合某商场消防设计案例的消防安全分析,提出了地下商场安全疏散计算的建议.     

浅埋地下结构耐震时程分析法最优持时研究

为研究持时对地下结构耐震时程分析结果的影响,选取II类和III类工程场地中典型的两层三跨地铁车站为原型,以基岩场地地震动均值反应谱为目标谱,构造了6种典型持时的耐震加速度时程曲线作为输入。通过将耐震分析结果与增量动力分析基准结果对比表明,耐震加速度时程曲线的持时对分析结果影响显著。根据目标时间点与地震动能量指标阿里亚斯强度值的变化规律,给出了最优目标时间点的确定公式并进行验证。由研究结果可知,对于II和III类工程场地,耐震时程曲线较优持时分别为30s和45s;给出的目标时间点的确定公式对上述两类场地中的地下结构抗震性能评价具有一定适用性,当构造的耐震时程曲线在目标时间区段内的能量值与实际地震动的能量值较为接近时,耐震时程分析结果最为精确。     

地下室侧墙结构设计的若干问题讨论

为了较真实地反映地下室侧墙结构受力情况,结合工程设计实践经验,对地下室侧墙计算模型的简化、边界条件的确定、荷载组合及有关设计方法进行了讨论,为地下室侧墙结构的合理设计提供依据。     

浅谈地下结构的抗震分析与设计

阐述了地下结构动力反应的特点、抗震分析方法及提高结构抗震承载能力的措施,并对有限元程序ANSYS在地下结构抗震分析中的应用进行了介绍,以判断地下结构的安全性,同时指导地下结构的抗震设计。     

地下汽车库暖通设计中的几个问题

探讨了地下汽车库的供暖、自然排烟、自然进风问题.建议修改规范中有关汽车库设置集中供暖的规定.讨论了自然排烟的可行性及相关参数的量化和自然进风的条件.     

地下管线标志物设立现状及引发的问题探讨

介绍了地下管线标志物的类型及其设立现状,分析了由于标志物设立不当而引发的各类问题,阐述了设立标志物的必要性及其在实际工作中的应用,指出地下管线标志物的埋设有利于管线普查探测,减少施工对管线的影响。     

地下结构地震反应的主要特征及规律

目前,有关地下结构地震反应特征的一些重要的规律性认识仍然缺乏严格的理论推断或认识欠深入。文章基于地下结构地震反应的二维动力有限元数值分析模型,定量分析了场地土、结构以及土-结构体系的动力特性和土-结构柔度比对地下结构地震反应的影响。结果表明,对于地下结构而言,土-结构体系的动力特性主要受控于场地土的动力特性,地下结构地震反应主要取决于场地土的动力特性或基岩地震运动引起的场地土的体积惯性力和土-结构柔度比;结构顶底板水平最大相对位移、关键构件截面弯矩随着土-结构柔度比分别单调减小和增大,结构关键构件截面的剪力、轴力值和土-结构接触面的最大平均剪力系数随着土-结构柔度比的增大变化较复杂。     

不同规范中地下结构地震反应分析的反应位移法对比研究

反应位移法是一种实用的地下结构抗震反应分析方法,该方法计算步骤相对简便,具有较好的分析精度,在地下结构抗震设计计算中得到广泛使用,已被包括《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909-2014)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)等多部规范所采用。但是由于该方法在理论推导上的不同,以及不同研究者理解上的不一致,导致现行不同规范的计算模型和荷载输入存在差别。文中给出反应位移法的推导过程,分析反应位移法中各项荷载的合理形式和意义,对现行不同规范中反应位移法的计算模型作出明确判断,通过与动力时程计算结果的对比分析表明：反应位移法中地震作用的输入通过结构周边自由场应力实现,忽略部分周边自由场应力的计算模型是不合理的。     

扁球壳结构的塑性极限分析

本文在文献基础上,分析了矩形底扁壳结构的塑性极限状态.利用机动法分别求出了等矢高方形底、不等矢高矩形底扁球壳的内力和极限荷载,并给出了计算实例.