地下变电站结构抗震分析及设计方法研究

徐意智 曹林放 毛建勤 程池浩 霍晓波

1 引 言

1995年的日本阪神地震中，以地铁车站(大开站和长泽站)、盾构区间隧道为代表的大型地下结构遭受严重破坏，其中，大开地铁车站结构完全倒塌，顶板和上覆土最大沉降达2.5 m。而在此之前，人们普遍认为地下结构有较好的抗震性能，未对地下结构抗震研究给予足够的重视。该车站原有结构参照当时规范进行设计，并没有考虑地震因素。但是设计本身已经非常保守，中柱的安全系数达到了3(即在承受3倍于正常使用荷载的情况下也不会破坏)。但如此保守的设计依然没能阻止其倒塌和严重破坏，引发了科学界的广泛争论[1]。

作为城市重要电力基础设施，地下变电站与地铁车站在结构上有诸多相似之处，其抗震安全问题也应引起工程界的重视。

目前我国的地下变电站主要分布在上海、北京等一线城市。截至2013年，上海地区已建成和正在建设中的地下变电站数量已达50多座，北京地区也有50座之多。

上海是典型的软土地区，与上述阪神地震中发生严重震害的大开地铁车站所在的地层非常相似，土层灵敏度高、压缩性大、含水量高，地下水位高,水土荷载大。砂层、粉砂等易液化地层分布广。在地震作用下软土地层一旦失稳，地下结构就会失去地层支撑发生严重破坏；北京地处的华北地区是地震的多发区域，历史上的三河-平谷地震(1679年，约8级)、邢台地震(1966年，7.2级)、唐山地震(1976年，7.8级)和张北地震(1998年，6.2级)都给这个地区的基础设施带来巨大的破坏，给人民生命财产带来巨大的损失。尽管近年来北京并没有遭受强烈地震的破坏，但是作为一个处在地震活跃地区的拥有一千多万人口的特大城市，地震的威胁是不容小视的[2]。

而与重大潜在风险相对应的现实是：①作为城市中心区重要的基础设施，地下变电站的数量在我国一线城市正迅速增长；②已有的地下变电站在修建时大多缺乏充分的抗震考虑；③我国目前相关规范[3]尚没有明确提出地下变电站抗震设计方法，或者还存在一些不合理的地方，总体上滞后于地面结构的抗震设计。

本文结合我国上海、北京地区地下变电站的结构特点，综合已有的地铁车站、地铁隧道等抗震设计研究成果，对地下变电站结构的抗震分析与设计进行系统地分析与探讨。

2 已有地下结构震害分析

以前，人们认为“地下构造物在地震时随着地基的运动而运动”，即除特殊情形外，一般认为地震对地下结构影响很小。1995年以前，抗震工程者曾指出：关于地下结构，虽然迄今为止尚无严重震害事例，但从地上结构受震破坏经验来看，可以设想这类结构今后仍有出现震害的可能，设计时对此应有必要的准备。数年后，此话不幸言中，1995年日本阪神地震中，神户市部分地铁车站和区间隧道受到了不同程度的破坏。其中大开站最为严重，一半以上的中柱完全倒塌，导致顶板倒塌和上覆土层大量沉降，最大沉降量达2.5 m之多，如图1—图3所示。

图1 大开地铁车站倒塌示意图[1]Fig.1 Collapse of Dakai subway station[1]

图2 大开地铁车站中柱破坏[4]Fig.2 Damaged column of subway station

该车站始建于1962年，用明挖法构建，长120 m。顶底板、侧墙和中柱均为现浇混凝土结构。中柱间距为3.5 m。标准段覆土厚度为4～5 m，中央大厅段覆土2 m。地层主要组成为：表层为填土；第二层为淤泥质黏土，N<10；第三层为砂砾层及海相黏土，砂砾层的N值在30～35之间，海相黏土N值为10左右；15 m以下为N值大于50的更新世砾层。

An等[5]对大开车站进行了二维动力有限元分析，模拟了中柱的破坏，认为主要是中柱的抗剪强度和延性不足导致了破坏，另外，较大的竖向地震作用使得中柱受到的压应力过大，也导致了抗剪强度和延性的降低。

图3 中柱及顶板破坏真实照片[4]Fig.3 Damage of middle column and roof

Iida[6]经调查发现，一些修建在车站宽度改变处的沿横截面方向的墙在地震中起到了剪力墙的作用，这些位置附近的中柱在地震中得到了一定程度的保护。他认为：周围土体运动引起的车站底部和顶部的相对位移产生了破坏性的构件内力，上覆土层通过影响结构的初始轴向力而影响了破坏的程度。

Samata等[7]通过计算认为，中柱的剪切破坏要先于顶板和侧墙的弯曲破坏，故而水平地震动对中柱更具破坏性，同时还提出土层厚度越厚对地下结构破坏越大。

此外，宫必宁,陈龙珠等[8-10]通过振动台试验分析得出竖向地震力的参与会使结构内力明显增大。尚昊等[11]通过大断面地下结构抗震模型试验，指出竖向地震力对中柱的影响特别大。刘晶波等[12]从地震本身特性考虑，认为地下结构是先在竖向地震动高频分量作用下进入塑性，周期变长，而后又受到水平地震动低频分量的作用，在两者连续作用下，使结构发生破坏。

总体来说，大多数学者认为是车站底部和顶部土体的相对位移使得中柱上剪力过大，另一方面竖向地震引起的轴力又导致了中柱抗剪强度和延性的降低，中柱的破坏是水平地震和竖向地震共同作用的结果。

3 地下变电站结构特点及抗震性能

由于上海地区土层较软，地下水位很高(一般地下0.5～1.0 m)，水土压力大，地下结构易发生较大的地层不均匀变形，而地下变电站自身设施的竖向荷载很大且对变形又十分敏感，所以对其结构的竖向承载能力及侧向刚度提出了较高的要求。因此，已建成的上海地区重要的地下变电站一般采用整体刚度较大的全剪力墙结构或框剪结构，其中框剪结构主要用于改善特大型变电站内部功能布局和节省造价。而与上海相比，北京地下水位低，土质条件较好，因此北京地下变电站的主体结构多采用框架-剪力墙形式。根据电气工艺布置的需要以及为了满足结构正常使用阶段设备空间的需要，地下部分结构跨度往往较大，同时正常使用阶段结构的竖向荷载(主要是顶板顶部的覆土重量，地下一、二、三层的设备重量)和水平荷载(主要是开挖深度大引起较大的侧向土压力，以及地震作用)较大，所以地下变电站结构设计一般采用竖向承载及抗侧刚度大的现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，其中框架部分布置于地下建筑物中心区域，剪力墙布置于地下建筑物靠近外围的四周。

由于使用功能的需求，地下变电站的结构部分与地上变电站及其他地下结构(地下车库、地铁)相比，在设计荷载、结构受力体系上有其自身特点，尤其是大量的开孔增加了其结构复杂程度。具体的结构特点和受力特点总结如表1所示。而在地震作用下，地下变电站的结构则表现出多个抗震不利因素(表2)。

表1地下变电站结构体系及受力特点

Table1Featuresofundergroundsubstationstructure

结构荷载1.侧向压力较大主要表现为随深度的增加而增加的水土荷载2.恒载所占比例较大四周水土荷载包括上部覆土压力、底板水浮力等3.地震作用地下结构所受地震作用与常规地面建筑有较大区别,主要表现为跟随土体一起位移结构体系1.水平结构体系主要指地下变电站的楼板,与地面结构的楼盖体系不同,地下变电站的楼板为典型的偏压构件,且有大量的开洞,小到穿线孔,大至主变室开孔、电缆竖井2.竖向结构体系地下变电站的竖向结构体系主要包括地下变电站的墙、柱体系。地下变电站的外墙与上部结构的外墙不同,是典型的偏压构件,在抵抗竖向荷载的同时,还要抵抗四周的水土荷载

抗震不利一方面体现在结构开孔上(包括主变室、电缆竖井、通风竖井等，如图4和图5所示)。结构开孔会影响结构的整体性，大大削弱结构抗侧移刚度和抗剪强度。受角部效应的影响，在四角设置的通风竖井或电缆竖井常常会引起应力集中，会给角部竖井框架的抗剪能力带来巨大挑战。

表2地下变电站不利抗震因素

Table2Unfavorableseismicfactorofunderground

不利因素具体解释内部结构复杂虽然形体比较规则,但与圆形截面隧道相比,地下变电站具有复杂的梁板柱的结构,尤其是大量开孔,对抗震非常不利竖向荷载大设备荷载,上覆土荷载等恒载大,地震时表现为巨大的惯性力,对结构产生不利影响埋藏深度浅相关地震经验表明,浅埋地下结构较深埋地下结构更易受到地震的破坏

图4 主变室开孔及电缆竖井Fig.4 Main power transform room and cable shaft

地下变电站的设备荷载和覆土荷载都比较大。在地震发生时，会产生巨大的惯性力(竖向和水平向)，对结构的竖向及水平向承载带来考验。

此外，地下变电站埋藏较浅。相关震害表明，浅埋地下结构更易遭受地震的破坏。一方面，浅埋地下结构与地层的相互作用程度较弱，受地层的约束较弱，表现为结构承担更多的地震作用；另一方面，埋深浅时上覆土无法形成拱效应，无法为地下变电站形成上部支撑。这两方面的原因均会导致地下变电站需更多地依靠自身的承载能力来抵抗地震作用。

4 地下变电站的抗震设计方法

20世纪50年代以前，国内外地下结构的抗震设计基本上基于日本学者大森房吉提出的地震惯性力方法[13]；60年代初，苏联学者福季耶娃基于弹性理论得到均匀介质中圆形隧道在P波、S波下的应力应变状态，并应用于贝-阿干线(BAM)铁路隧道的抗震设计[14,15]；60年代末，美国旧金山地区在建设快速地铁运输系统(BART)时，Kuesel[16]提出了“地下结构应具有吸收强变形的延性，并且不丧失承受静载的能力，而不是抵御惯性力”的新的地下结构抗震设计思想，应该说，这一思想正确认识到了地下结构在地震作用下的响应状况——以跟随地层变形为主，自激振动很小。

图5 进风井开孔Fig.5 Opening on ventilating shaft

从认识到地下结构随地层共同变形的特性之后，地下结构的抗震设计思想转向以变形控制为主流的反应位移法、自由变形法、共同作用法、应变传递法、节段长度试算法等，其中以反应位移法(见图6)和共同作用法最为成熟。

20世纪70年代后期开始，日本学者从地震观测资料着手，通过现场试验、模型试验，提出了反应位移法、应变传递法等多种实用抗震计算方法，其基本思想就是地下结构在承受地震惯性力、土层剪应力的同时跟随地层一起变形。

在设计计算中，地震产生的影响主要从以下6个方面进行考虑[1]：①地震时的地层变形；②上覆土的影响，必要时上覆土竖直方向的惯性力也要考虑；③地震时的土压力；④结构自身的惯性力；⑤液化的影响；⑥水压和浮力。

图6 反应位移法计算简图[1]Fig.6 Response displacement method

但在各个规范中，地震荷载的种类和作用方法都有稍许不同，在实际使用中也带来了一些混乱。同时有研究表明，反应位移法的计算结果与二维动力有限元计算结果的一致度并不好。究其原因是计算模型中的地层弹簧参数取值以及地震荷载的取值还有不太明确之处。

自由场变形法最早成功应用于美国旧金山海湾地区地下快速运输系统(BART，1969年)的地下车站与隧道中[16]。1991年洛杉矶地铁地下结构抗震设计中也使用了该法，并在原基础上引入了容许塑性铰控制倒塌设计[16]，如图7所示。

图7 地下矩形框架的结构稳定[16]Fig.7 Stability of underground rectangular frame

自由场变形法就是将自由场地的剪切变形强加在地下结构上，如图8所示。场地的自由变形量采用St.John和Zahrah[17]推导的公式进行计算(P波、S波和Rayleigh波)。

图8 典型的自由场变形法[17]Fig.8 Free field deformation method

自由场变形法概念清晰，应用方便。前提是结构的存在并不影响地层的变形，且结构完全跟随地层一起变形，所以地层刚度相对隧道结构刚度较大时尚能取得较满意的结果。基于这种想法，后来又提出了相互作用法。

Wang[18]针对矩形断面的地下结构提出了柔度系数的概念。首先对结构和与结构具有相同外尺寸的矩形等代土单元进行静力分析(图9)，结构和土介质之间的柔度系数就是结构和等代土单元侧向变形的比值。

图9 柔度系数的计算简图[18]Fig.9 Calculation diagram of flexibility coefficient

然后由柔度系数进一步求取相互作用系数，相互作用系数为实际结构位移与自由场剪切变形的比值。

Hashash[19]对前人的研究进行了系统地总结和归纳，基于地下结构与土体共同变形的理念，较为系统地整理了圆形、矩形地下结构的抗震设计方法。

几年后，Hashash[20]基于地下结构在地震作用下与土体一起发生剪切变形的理念，对剪切变形下土体和结构的相互作用进行了进一步的探讨。

国内的相关规范规程中目前只有上海市《地下铁道建筑结构抗震设计规范》[21](DG/TJ 08—2064—2009)对地铁地下结构物的抗震设计规定了一些可供具体参考的条文，其中包括针对软土双层三跨地铁车站结构的地震反应分析等代地震荷载法和横向水平地震作用反应位移法。但整体上还是比较粗略的，基本上只能宏观地用于抗震验算。

对于地下变电站，上述的诸多地铁车站的抗震设计思想和方法都能借鉴，但同时还要考虑地下变电站结构的自身特点。比如剪力墙、楼板开孔、主变室两层侧墙等对结构抗震的有利及不利影响。结合地下变电站的自身结构特点提出相应的抗震设计计算方法显得非常必要。

此外，“三分计算，七分构造”是建筑结构抗震理论和实践中一个被广泛接受的理念[2,22]。在地面结构抗震设计的长期探索和实践中已经形成了诸多行之有效的抗震构造措施，如“强柱弱梁”和“强剪弱弯”，通过加强箍筋的方法来增强结构的延性等。而目前，对于地下变电站的抗震构造措施的研究应该来说是一片空白，比如板开孔位置附近怎么配置箍筋，怎样增加框架柱的变形延性等。所以，有必要针对地下变电站的自身结构特点进行专门的研究和分析，提出相应的抗震构造措施。

5 结 论

1995年日本阪神地震对地铁车站造成了毁灭性的破坏。前车之鉴，作为城市中心区重要电力基础设施的地下变电站的抗震问题必须引起工程界的足够重视。目前我国地下变电站主要集中在高烈度的北京地区和软土典型代表的上海地区，一旦发生城市直下型地震，后果不堪设想。

虽然地下变电站的抗震设计在一定程度上能够参考已有的地铁车站抗震设计方法，但还必须充分考虑自身的结构特点，比如剪力墙、楼板开孔、主变室两层侧墙、明挖施工工法等对结构抗震的有利及不利影响。此外，地下变电站内部结构复杂，楼板有大量开孔，设备荷载大，在抗震设计计算的同时，也必须充分发挥抗震构造措施的作用，“三分计算，七分构造”，针对自身结构特点进行专门的研究和分析，提出相应的抗震构造措施。

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