島式地鐵車站結構地震響應分析

呂立寧

（山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室 山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著城市化進程速度的加快，地鐵在城市公共交通系統(tǒng)中發(fā)揮了不可替代的作用，其安全性也日益引起大家關注，尤其是地震中結構的安全性尤為關鍵。

地震是地殼運動的結果，也是不可避免的。地面結構的抗震研究起步較早，各國也都制定了相應的抗震設計規(guī)范。1995年日本阪神大地震中，神戶市的地下結構遭受了較大破壞，地鐵車站結構破壞嚴重。阪神地震后，眾多學者對地下結構的地震響應特性開展了廣泛的研究。土-結構動力相互作用是一個復雜課題，模型建立、計算參數(shù)選取、地震波選取等都需要根據(jù)實際狀況確定[1]。

本文基于土-結構動力相互作用理論，建立有限元模型，采用時程分析方法對典型島式地鐵車站結構的地震響應進行分析。

1 工程概況

取廣州地鐵二號線某車站，車站建筑形式為島式雙層三跨鋼筋混凝土框架結構，采用明挖施工方法建造。車站結構標準段橫截面如圖1所示，土體參數(shù)如表1所示。

該車站處于軟土地層中，頂板埋深2.5m，為典型的軟土淺埋地下結構。結構抗震設防烈度為7度，地震動加速度峰值為0.10g。結構主體框架材料為C30混凝土，立柱為1.0m×0.8m矩形截面柱，縱向柱間距為9.5m，立柱材料為C45混凝土。車站結構有限元模型如圖2所示，模型中將立柱考慮為等效連續(xù)墻體。計算邊界按寬度方向取6倍結構總跨度，深度方向取40m，模型計算尺寸為144m×40m。

地震波選取El-Centro波、唐山波、天津寧河波這幾種典型地震波作為地震輸入。進行水平向地震響應分析時，輸入El波、唐山波、天津波南北向加速度時程，加速度峰值調整為1.0m/s2。進行雙向地震響應分析時，只輸入天津波南北向和垂直向加速度時程，南北向地震波峰值調整為1.0m/s2，垂直向地震波不做調整。

為便于對計算結果進行分析和說明，規(guī)定了代表結構位置的幾個關鍵節(jié)點編號，如圖3所示。

圖1 車站結構截面圖(單位：m)

圖2 土-車站結構有限元模型

圖3 結構關鍵節(jié)點編號

表1 土體參數(shù)

表2 結構水平位移(單位：mm)

表3 水平向地震作用下結構內(nèi)力

2 水平向地震波作用下結構響應

在水平向地震波作用下，由于豎向位移較小，只討論結構的水平位移。結構水平位移峰值計算結果如表2所示。計算結果表明：天津波的位移最大，相對位移也最大，上下層相對位移峰值分別為5.78mm、9.85mm，層間位移角為1/957、1/710；El波的位移最小，相對位移也最小，上下層相對位移峰值分別為5.22mm、8.54mm，層間位移角為1/1053、1/820。各層間位移角均小于《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定的彈性層間位移角1/550的限值[2]。

在三種地震波作用下，車站結構內(nèi)力峰值計算結果如表3所示。內(nèi)力最大的截面出現(xiàn)在側墻與底板相交處，El波的內(nèi)力峰值最小，彎矩峰值為383.49kN·m；天津波的內(nèi)力峰值最大，彎矩峰值為416.34kN·m，比El波高出8%。

3 雙向地震波作用下結構響應

同時輸入天津波南北水平向和垂直向加速度時程，結構水平層間相對位移峰值結果見表4，內(nèi)力峰值結果見表5。雙向地震波作用下，結構層間相對位移峰值增加了7%。結構內(nèi)力變化較大，側墻與底板交角位置同樣為最大內(nèi)力控制截面，其中彎矩峰值達572.69kN·m，與水平單向地震波作用相比增加27%。立柱內(nèi)力變化較大，下柱底部彎矩峰值達196.79kN·m，與水平單向地震波作用相比增加45%。

表4 結構水平層間相對位移(單位：mm)

4 小結

表5 雙向地震作用下結構內(nèi)力

在同一加速度峰值的不同地震波時程作用下，地下車站結構的響應是不同的，在地下結構抗震設計中應充分考慮這一差異。與水平單向地震波作用相比，雙向地震波作用下結構內(nèi)力增加較大，在結構抗震計算中應考慮豎向地震波對結構的影響。結構底板與側墻交角截面內(nèi)力最大，設計中應作為控制截面，設計中應將立柱作為關鍵部件進行加強，可采用加肋勁性柱或鋼管混凝土柱等，以提高結構的強度和延性。

［1］韓雪兵.黃土地區(qū)地鐵施工地層參數(shù)敏感性分析[J].山西交通科技,2012,4：50-52.

［2］中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.