超淺埋大跨度Y形柱雙層地鐵車站三維地震響應(yīng)分析

李積棟，陶連金，安軍海，郭飛，閆冬梅

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超淺埋大跨度Y形柱雙層地鐵車站三維地震響應(yīng)分析

李積棟，陶連金，安軍海，郭飛，閆冬梅

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100124)

以北京地鐵6號(hào)線新華大街站公共區(qū)Y型柱雙層地鐵車站為工程背景，利用 FLAC3D有限差分程序數(shù)值模擬分析，研究超淺埋大跨度Y形柱雙層地鐵車站結(jié)構(gòu)，尤其是Y形柱的地震響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明：場(chǎng)地土層對(duì)地震動(dòng)有明顯的放大作用，邊墻及Y形柱上部的相對(duì)水平位移和加速度均比下部的大；在人工地震波作用下，邊墻及Y形柱中板以下結(jié)構(gòu)相對(duì)水平位移很小，甚至在Y形柱下方出現(xiàn)微弱的反拱現(xiàn)象；Y形柱右側(cè)叉支豎向位移明顯大于左側(cè)位移；Y形柱叉支頂部水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部位的水平應(yīng)力，且左右兩側(cè)叉支的應(yīng)力?時(shí)程存在明顯的相互滯后現(xiàn)象；加速度傅里葉譜與車站埋深、輸入地震動(dòng)強(qiáng)度、地震動(dòng)特性有關(guān)，其中隨著車站埋深增加，加速度反應(yīng)的傅里葉幅值依次減小，中低頻傅里葉幅值逐漸突出并產(chǎn)生次主頻，且次主頻傅里葉幅值隨著車站結(jié)構(gòu)埋深的增加而逐漸增大，頻譜曲線的峰點(diǎn)頻率保持不變。

Y形柱；地震響應(yīng)；反拱現(xiàn)象；滯后現(xiàn)象；次主頻

過去普遍認(rèn)為，地下結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，但全球范圍內(nèi)多次地震震害的破壞現(xiàn)象表明，在地震作用下，現(xiàn)有的地下結(jié)構(gòu)并不安全[1?2]。1995年日本阪神地震中，大量地下結(jié)構(gòu)均發(fā)生嚴(yán)重的破壞，其中大開地鐵車站破壞最嚴(yán)重，大部分中柱幾乎完全坍塌，發(fā)生嚴(yán)重的壓剪破壞，由于中柱倒塌，導(dǎo)致頂板坍塌破壞和上覆土層沉降，最大沉降量達(dá)2.5 m，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[3?5]。隨著地鐵施工技術(shù)的日漸成熟，在設(shè)計(jì)中陸續(xù)出現(xiàn)具有大跨度、高斷面、異形柱等各種特色的地下結(jié)構(gòu)形式，以滿足人們對(duì)城市地下結(jié)構(gòu)實(shí)用性、美觀等多方位的需求[4?7]。然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大跨度，異形柱集于一體的復(fù)雜地鐵車站結(jié)構(gòu)形式的抗震性研究較少，尤其是關(guān)于異形柱在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)更少[8?15]。因此，研究大型復(fù)雜地鐵車站在地震中的結(jié)構(gòu)變形和抗震性能非常必要。在此，本文作者基于FLAC3D有限差分軟件，以北京地鐵6號(hào)線新華大街站公共區(qū)換乘節(jié)點(diǎn)Y形柱雙層地鐵車站為研究對(duì)象，選取新華大街站人工波、日本阪神地震波以及汶川臥龍?zhí)兜卣鸩ǎ瑢?duì)大跨度Y形柱雙層地鐵車站進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，探討其在三維地震作用下的地震動(dòng)響應(yīng)。

1 三維數(shù)值模型

1.1 模型建立

新華大街站為北京地鐵6號(hào)線快慢線中轉(zhuǎn)換乘站，周邊為通州核心區(qū)重點(diǎn)開發(fā)地帶，遠(yuǎn)期與S6線換乘，車站為雙島四線車站，采用明挖法施工，兩端區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。公共區(qū)換乘節(jié)點(diǎn)為Y形柱雙層地鐵車站，頂板覆土厚度不足3 m，采用Y形柱受力體系，斷面寬41.1 m，高26.5 m，底柱間距19.4 m，分叉跨度8.4 m；頂板厚0.9 m，底板厚1.6 m，中板厚0.4 m，邊墻厚0.9 m；中柱直徑為1.2 m，分叉處直徑由1.1 m漸變到0.75 m。三維模型長(zhǎng)×寬×高為200 m×60 m×50 m，車站結(jié)構(gòu)周邊網(wǎng)格加密，如圖1所示，土體和車站結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，參數(shù)見表1和表2。同時(shí)，為了便于分析Y形柱雙層車站地震動(dòng)響應(yīng)，在車站橫斷面布置了相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

(a) 整體網(wǎng)格模型；(b) 車站模型

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 土層參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型動(dòng)力參數(shù)

模型在靜力計(jì)算結(jié)束后得到初始應(yīng)力場(chǎng)后，便可進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。在模型底部輸入水平振動(dòng)地震波，模型頂面采用自由面，底部采用由Lysmer和Kuhlemeyer提出的靜態(tài)邊界條件(即黏性邊界、吸收邊界)，同時(shí)模型周邊采用自由場(chǎng)邊界，以使之產(chǎn)生與無限自由場(chǎng)地相同的效果，以達(dá)到吸收入射波的目的，阻尼選取瑞利阻尼，取值為0.5。

1.3 地震波輸入

動(dòng)力分析選用的新華大街站人工波、日本阪神地震波以及汶川臥龍?zhí)兜卣鸩ǎ渲?，人工波加速度峰值分別為0.18和0.40(為動(dòng)力加速度)地震波加速度時(shí)程曲線和傅里葉幅值如圖3所示。

(a) 人工波加速度時(shí)程曲線；(b) 阪神波加速度時(shí)程曲線；(c) 汶川臥龍?zhí)恫铀俣葧r(shí)程曲線；(d) 人工波傅里葉幅值；(e) 阪神波傅里葉幅值；(f) 汶川臥龍?zhí)恫ǜ道锶~幅值

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 位移分析

地震動(dòng)作用下地基會(huì)發(fā)生較大的側(cè)向位移，由于土?車站結(jié)構(gòu)的相互作用影響，車站結(jié)構(gòu)通過巖土介質(zhì)作用發(fā)生動(dòng)變形。為了便于分析新華大街站地鐵車站的變形狀態(tài)，現(xiàn)將車站沿埋深方向各部位的水平位移與車站底板水平位移的差值定義為相對(duì)水平位移。

場(chǎng)地土層對(duì)地震動(dòng)有明顯的放大作用, 尤其是地面以下的淺埋結(jié)構(gòu), 相對(duì)水平位移明顯大于深部；在人工波作用下，Y型柱的相對(duì)水平位移隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加逐漸增大，且中板以下結(jié)構(gòu)相對(duì)水平位移非常小，與車站底板的水平振動(dòng)位移近乎相同，但隨著地震波強(qiáng)度的增大而出現(xiàn)微弱的反拱現(xiàn)象；場(chǎng)地波作用下，Y形柱的相對(duì)水平位移從深部往上依次遞增，并未發(fā)現(xiàn)反拱現(xiàn)象，Y形柱各工況下的相對(duì)水平位移如4所示，圖中數(shù)值為相對(duì)水平位移。

(a) 人工波(0.18g)；(b) 人工波(0.40g)；(c) 阪神波；(d) 臥龍?zhí)恫?/p>

由于受到周圍土體的約束作用以及車站結(jié)構(gòu)自身剛度的影響，車站邊墻的側(cè)向水平位移整體性較強(qiáng)。在人工波作用下，車站邊墻結(jié)構(gòu)中板以下相對(duì)水平位移非常小，可能是此處地層條件與地震波特性相互作用的結(jié)果；場(chǎng)地波作用下車站邊墻相對(duì)水平位移較為明顯的自下而上的遞增規(guī)律，如圖5所示。

1—人工波(0.18g)；2—臥龍?zhí)恫ǎ?—阪神波；4—人工波(0.40g)

水平地震動(dòng)作用下應(yīng)考慮Y形柱叉支部位的豎向位移，如圖6所示。人工波作用下，叉支沿豎直方向的最大位移向下，而場(chǎng)地波作用下相反；右側(cè)叉支的最大豎向位移明顯比左側(cè)的大，同時(shí)表現(xiàn)為右側(cè)叉支頂部豎向位移比底部的大，左側(cè)叉支底部豎向位移比頂部的大。由此可見：在Y性柱右側(cè)，尤其是右側(cè)叉支頂部更易成為抗震的薄弱環(huán)節(jié)，右側(cè)叉支一旦發(fā)生屈服破壞，左側(cè)叉支將承受更多頂部壓力和水平剪切力，而單個(gè)叉支很難獨(dú)自承受Y形柱上端的全部應(yīng)力，從而很快出現(xiàn)彈塑性變形，造成整個(gè)Y形柱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，因此在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高右側(cè)叉支頂部的抗震能力。

圖6 分叉支豎向位移

2.2 應(yīng)力分析

表4所示為強(qiáng)震作用下，Y形柱雙層地鐵車站邊墻、Y形柱、底層中柱各測(cè)點(diǎn)的最大水平應(yīng)力。由表4可知：

1) 在相同地震波作用下，車站結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加而增大；在不同地震波作用下，由于輸入地震波的特性不同，即使輸入地震波強(qiáng)度相對(duì)較小，依然能產(chǎn)生較大的水平應(yīng)力，如人工波0.40和阪神波雖然輸入加速度峰值比臥龍波的小，但前兩者產(chǎn)生的最大水平應(yīng)力比后者的大。

2) 相同截面高度，Y形柱各測(cè)點(diǎn)的水平應(yīng)力比邊墻的大，其中Y形柱叉支頂部的水平應(yīng)力遠(yuǎn)比其他部位的大。其主要原因可能是車站埋深較淺且Y形柱未受到周圍土體介質(zhì)的約束，在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)在Y形柱的兩端產(chǎn)生較大的彎矩，同時(shí)由于Y形柱上方為一75o的叉支，相對(duì)Y形柱根部結(jié)構(gòu)性及穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此，在強(qiáng)震作用下承擔(dān)較大的應(yīng)力。

3) 車站中板與底板間的底層中柱受地震動(dòng)強(qiáng)度及特性影響較小，在不同地震動(dòng)條件下，底層中柱頂部與根部最大水平應(yīng)力變化微弱。

表4 測(cè)點(diǎn)最大水平應(yīng)力

圖7所示為人工波(0.40)作用下Y形柱兩叉支頂部的水平應(yīng)力?時(shí)程曲線。從圖7可知：Y-1的拉應(yīng)力比Y-2的大，而壓應(yīng)力比Y-2的小，且在10 s后出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力；Y-1和Y-2的應(yīng)力有明顯的相互滯后現(xiàn)象。

1—測(cè)點(diǎn)Y-1；2—測(cè)點(diǎn)Y-2

2.3 加速度分析

場(chǎng)地土對(duì)地基傳遞的地震動(dòng)有放大效應(yīng)，無論輸入何種地震動(dòng)波，均是上部測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)最大，即上部測(cè)點(diǎn)的加速度最大；在同一場(chǎng)地條件下，加速度放大系數(shù)與地震動(dòng)特性有關(guān)，即不同地震波輸入地震波強(qiáng)度大，加速放大系數(shù)可能大，也可能??；在同一地震波(如人工波)下，輸入地震波強(qiáng)度越大，加速度放大系數(shù)反而越小，如圖8所示。

1—人工波(0.18g)；2—臥龍?zhí)恫ǎ?—阪神波；4—人工波(0.40g)

隨著輸入地震波峰值加速度的增加，車站結(jié)構(gòu)同一測(cè)點(diǎn)，頻譜曲線形狀無明顯變化，但加速法的傅里葉幅值明顯增大，且增大倍數(shù)與輸入地震波峰值加速度變化倍數(shù)大致相同；同一地震波條件下，隨著車站結(jié)構(gòu)埋深的增加，邊墻加速度反應(yīng)的傅里葉幅值依次減小，中低頻傅里葉幅值逐漸突出并產(chǎn)生次主頻，且次主頻傅里葉幅值隨著車站結(jié)構(gòu)埋深的增加而逐漸增大，頻譜曲線的峰點(diǎn)頻率保持不變。

(a) B-1(人工波0.18g)；(b) B-3(人工波0.18g)；(c) B-5(人工波0.18g)；(d) B-1(人工波0.40g)；(e) B-2(人工波0.40g)；(f) B-3(人工波0.40g)；(g) B-4(人工波0.40g)；(h) B-5(人工波0.40g)

3 結(jié)論

1) 此Y形柱雙層地鐵車站屬于超淺埋地下結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地土層對(duì)地震動(dòng)有明顯的放大作用，無論是邊墻、Y形柱還是底層中柱，均是上部相對(duì)水平位移遠(yuǎn)比下部的大；在人工地震波作用下，邊墻及Y形柱中板以下結(jié)構(gòu)相對(duì)水平位移很小，甚至在Y形柱下方出現(xiàn)微弱的反拱現(xiàn)象。

2) Y形柱叉支部位豎向位移在抗震分析中亦不能忽略，人工波作用下，叉支沿豎直方向的最大位移向下，而場(chǎng)地波作用下相反；右側(cè)叉支的最大豎向位移明顯比左側(cè)的大，同時(shí)表現(xiàn)為右側(cè)叉支頂部豎向位移比底部的大，左側(cè)叉支底部豎向位移比頂部的大。

3) 各構(gòu)件連接處附近應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，尤其是Y形柱叉支頂部，其水平應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部位；在人工波作用下，Y形柱左側(cè)叉支拉應(yīng)力比右側(cè)的大，壓應(yīng)力比右側(cè)的小，且兩者有明顯的相互滯后現(xiàn)象；地震動(dòng)特性及強(qiáng)度對(duì)車站邊墻及Y形柱水平應(yīng)力有顯著影響，而底層中柱受地震動(dòng)強(qiáng)度及特性影響較小。

4) 在同一場(chǎng)地條件下，加速度放大系數(shù)與地震動(dòng)特性有關(guān)；同一地震波(如人工波)輸入強(qiáng)度越大，加速度放大系數(shù)越小。

5) 同一測(cè)點(diǎn)隨著輸入地震波峰值加速度的增加，車站結(jié)構(gòu)頻譜曲線形狀無明顯變化，加速度的傅里葉幅值明顯增大；在同一地震波條件下，隨著車站結(jié)構(gòu)埋深的增加，邊墻加速度反應(yīng)的傅里葉幅值依次減小，中低頻傅里葉幅值逐漸突出并產(chǎn)生次主頻，且次主頻傅里葉幅值隨著車站結(jié)構(gòu)埋深的增加而逐漸增大，頻譜曲線的峰點(diǎn)頻率保持不變。

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Analysis of 3D seismic response of super-shallow and large-span Y-shaped column double-layer subway station

LI Jidong, TAO Lianjin, AN Junhai, GUO Fei, YAN Dongmei

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Taking Y-column double subway station of Xinhua Street Station in public areas of the Beijing Metro Line 6 as engineering background, the numerical model was developed with FLAC3D finite difference program, and the seismic response characteristics of the super-shallow and large-span Y-shaped column double-layer subway station were analyzed. The results show that the site soil has obvious amplification effect on ground motion, and the relative horizontal displacement and acceleration of the upper-part are greater than those of the lower-part on the sidewall and Y-shaped column. Under artificial wave, the relative horizontal displacement of the bottom of the side wall and Y-shaped column is very small, and the weak contra-arch phenomenon even occurs on the bottom of the Y-shaped column. For the vertical displacement, the right fork of Y-shaped column is significantly greater than that of the left. For the horizontal stress, the top of fork-branch is much greater than that of other parts, and the stress–schedule of both sides of fork-branch has an obvious hysteresis phenomenon. The acceleration Fourier spectrum relates to station depth, intensity of earthquake wave and the characteristics of seismic waves. The Fourier spectrum value gradually decreases with the increase of depth of station and the low-frequency Fourier is gradually prominent and producing sub-frequency. At the same time, with the increase of station structure buried depth, the Fourier value of hypo-primary frequency increases gradually and the peak frequency of the spectral curve remains unchanged.

Y-shaped column; seismic response; contra-arch; hysteresis phenomenon; hypo-primary frequency

TU435

A

1672?7207(2015)02?0653?08

2014?02?26；

2014?04?20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51038009)；北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(8111001)(Project (51038009) supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China; Project (8111001) supported by the Key Program of the Natural Science Foundation of Beijing)

李積棟，博士研究生，從事巖土工程與地下工程等研究；E-mail：ljd0911@emails.bjut.edu.cn

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.038

(編輯 趙俊)