水池结构地震作用归纳分析

水池结构地震作用归纳分析

曹侃

中国市政工程西北设计研究院有限公司新疆分公司，新疆乌鲁木齐，830092

摘要：水池结构较多出现在给水排水工程中，均为社会生命线工程的重要构成部分。水池地震作用的抗震设防目标与一般结构相同，即满足三水准的要求：“小震不坏、中震可修、大震不倒”，但在计算地震作用过程中与一般结构有所不同，本文对水池地震作用计算做简单的归纳分析。

关键词：水池, 设计、抗震计算

一．抗震设防目标

抗震设防三个水准的要求与一般建筑结构的要求相同：当遭遇到多遇地震情况下，结构全部均保持弹性状态;遇到设防烈度的地震时，给水、排水工程中的各类构筑物的损坏仅可能出现在非主要受力构件，主要构件无需修理或稍作修理后仍能继续使用;当遇到高于本地区一度地震作用时,相当于遭遇大震(50年超越概率2%~3% )，此时构筑物符合抗震设计基本要求，通过概念设计的控制并满足抗震构造措施，即可避免严重震害，不致发生倒塌或大量涌水危及工作人员生命安全。考虑到水池较多出现在给水排水等社会生命线工程中，均系社会生命线工程的重要构成部分，对给水工程中的盛水构筑物、净水厂内的主要盛水构筑物；排水工程中的污水厂内的主要盛水构筑物宜提高一级抗震构造（不提高抗震计算），9度时，可适当加强构造措施。6度时的水池可不作抗震计算，构造措施按7度设防的要求采用(规范无特殊规定时).

二．结构体系

抗震结构的体系应根据构筑物的使用功能、场地条件、地质情况、、抗震设防要求和施工条件等因素经过经济综合对比后确定。水池的平面设置、竖向设置，应符合以下要求：水池的平面、竖向设置宜尽量对称、规则，刚度变化和质量分布宜均匀，相邻各构件之间刚度不宜有较大变化；对体型较复杂的水池，宜设防震缝将水池划分成规则的单元，当防震缝无法设置时，需要对水池整个结构一起验算，在相对薄弱的位置设置可靠的构造措施；水池的结构体系宜具有明确的计算简化图以及合理的地震作用传导路径；需避免部分构件的破坏而致整个体系失效；结构单元内应具备良好的整体性，局部削弱、突变而形成的薄弱位置，需采用措施加强。

三．水池结构抗震计算

通常情况，应验算水池结构两个主轴的水平地震作用，每个主轴方向的地震作用，由该方向的抗侧力构件承担；当设置斜交抗侧力构件时，应分别考虑各构件方向的水平地震作用；当为Ⅸ度设防烈度时，水池需计入竖向地震作用。

地震设防烈度为Ⅷ、Ⅸ度时，水池不得采用砌体结构。水池抗震验算时，构筑物过半高度埋于地下的情况，按照地下式水池验算；水池过半高度位于地面以上的情况，按照地面式水池验算。

现阶段市政工程水池计算主要按照《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》 GB50032-2003 的要求进行计算，其主要计算内容见下列公式：

水池惯性力（在水平地震作用下的标准值）：

FGWZ,K=ηm·α1·γ1·gw·sin·[πZ/2H]

地上水池顶板自重惯性力（标准值）:

FGd,k=ηm·α1·γ1·Wd

式中：ηm--地震影响系数的调整系数，可取1.5；α1--基振型地震影响系数，一般取α1=αmax；γ1--基振型的振型参与系数(一般可取1.1)。H--池壁高度；Z--计算截面高度（距池壁底端）。

动水压力（水平地震作用下的标准值）：

FWR,C=KH·γw·Hw·fwr

动水压力合力（沿地震方向的标准值）：

Fwrk,t=2KH·γw·L1·HW2·fwr

式中L1--水池垂直地震作用方向长度; fwr--动水压力系数

池壁动土压力（标准值）：

Fes,k=KH· Fep,k · tanφ

式中φ为池壁外侧图的内摩擦角，一般情况下可取30°计算；Fes,k--地震作用时池壁的土压力增量（任一高度上最大值）；Fep,k主动土压力（计算高度处的标准值），地下水位以下时，土的重度取20 KN/m3.

Ⅸ度时，顶板及动水压力需计入竖向地震作用。

池顶盖竖向地震作用标准值

FGdV, k=αVmax·Wd

动水压力竖向地震作用标准值

FWVE,K=0.8αVmaxγw(HW-Z)

 式中Z--池底至计算高度处的距离。

水池抗震计算的初期，抗震规范理论并不完善，水池抗震计算仅简单的套用结构抗震时的加速度公式，或对水、土压力进行适当放大，计算的结果相对于实际情况有较大偏差。《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》对水池的抗震验算，考虑了施加在结构上的动土压力、动水压力以及自重惯性力，此计算理论（上文列出公式）是通过阵型分解反应谱法演变而来，验算时考虑对水、土压力适当放大，并无相关详细理论推导。

日本《下水道抗震工法指南》（2009年）给出了较为多样的抗震验算理论，并明确了各种验算方法的适用范围。给出的计算方法考虑了水池结构与周围土体地震时的相互作用，适当计入了地震作用下池内水的晃动作用。a、拟静力法：需计入结构在地震时的动水压力、自重惯性力以及动土压力，分别使用相应的计算理论计算出各部分受力，从而得出地震作用（组合值）。b、反应位移法：地震作用时水池结构的变形受到周围土层变形的约束，土层形变的部分传到给水池，致使水池产生形变和应力，以此为基础，分析在水池内有水工况下结构的动力响应，而内水动力响应相对复杂，而较为简单的处理方式仍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。c、反应加速度法：即采用有限元方法验算水池受力，当土层和结构在最大位移下，对结构模型作用反应加速度，分析水池的动力反应，此方法参见《城市轨道交通结构抗震设计规范》。d、时程分析法：在水池和土层复杂且抗震有较高要求的情况下，可通过时程分析法来分析判断，将地震波输入建立好的有限元模型中，分析模型在地震波作用下的动力反应。《地下结构抗震设计标准》（GB/T51336—2018）在之前相关抗震规范的基础上做了比较全面的补充、完善，囊括了大部分水池结构可能会涉及的结构体系。水池相关的抗震计算与其他传统结构形式仍然有较大差别。

四．水池结构抗震设计存在的问题

水池池壁的抗震受力计算，在分析池壁的抗震承载力时，地震作用的取值存在争论，从现行计算软件和执行情况来看，水池采用的是《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》中的抗震验算方法（上文中公式），而多数水池一般属市政工程，而《城市轨道交通结构抗震设计规范》也属于城市轨道交通规范，两规范地震作用的设计方法、理论还是有较大差别，现阶段各行业抗震设计方法和理论各有不同侧重点及适用范围。

水池结构与其他一般结构最大的区别是内部介质的作用。地震工况下，介质受到地震作用，产生惯性力、晃动。另外，池内介质的相对晃动对水池构件产生二次相互叠加的作用，形成较为复杂的受力情况。复杂水处理构筑物中，结构首先需要满足工艺处理的需求，很难避免薄弱点和不规则的出现，此时需合理的布置水池池壁、池内框架，以规避过大流固耦合效应的产生。现阶段对于流固耦合相关问题的研究较多，但对复杂大型水池的动力计算仍然采取简化的计算方法，基本都采用上文中所阐述到的以附加质量的方法来考虑池内液体对水池构件的影响。而常见的实际工程建设中，很多水池都为地下式或半地下形式，地震作用下池内液体、水池构件和之间都有着复杂的相互作用，需要同时考虑池内液体、水池构件和土体的三相耦合。合理的采取抗震构造措施、避免采用对抗震性能有较大影响的结构布置，将成为设计难点。然而水池结构在承载力上常具备较多的富余量，导致水池抗震构造措施设置及抗震性能还未得到足够关注，水池结构设计中仍存在较大的随意性，会导致水池抗震性能存在薄弱点、从而带来安全隐患。

五．水池结构抗震设计要点

根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS138-2002），池壁需在静水、静外水土压力作用下满足裂缝限值，水池池壁相较于其他结构中的抗震墙具有更大的刚度，且整个水池常为扁平状，整体性相对较好，以致水池通常情况下都具有较好的抗震性能。但是水池通常作为一种地下构筑物，池体外侧池壁受到土体形变影响，参考反应位移法的概念，水池外部池壁在其高度范围内存在着土层差异约束形变的影响，致使外侧池壁受力产生弯矩，此类差异形变的影响是有必要引起重视和加以探讨。对主要以池壁组成的水池，其抗震性能受到较多因素的影响，影响因素较为明显的是水池整体性。水池结构中通常存在很多厚薄不同的隔墙、池壁和梁、板、柱等构件，有很大的刚度差异，池壁具有很高的抗侧刚度，而柱和梁组成的体系抗侧刚度很弱，地震工况下，地震作用的分配和传递是比较复杂的问题。地震作用分配时需考虑由刚度较大的墙体承受大部分或全部地震作用。

六．结语

   通常由于水池结构的变形和裂缝控制较为严格，水池结构在满足裂缝和变形的前提下，其承载力有不小的富余量，大多数工况下都能满足强度要求，而地震工况偶然发生，又因水池结构的复杂多样性，导致水池存在各种薄弱点，地震作用下，有较大几率被破坏。与此同时水池抗震理论仍需研究探讨和实践验证进而补充完善，且水平地震分析仍存在很多疑问和难点，地震作用下池内液体与池壁的相互影响也异常复杂，仍需坚持探讨和学习。

参考文献：

[1]《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》 GB50032-2003

[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[3]《城市轨道交通结构抗震设计规范》GB50909-2014

[4]《地下结构抗震设计标准》GB/T51336-2018

[5] 水道施设耐震工法指南2009