砂卵石地層地鐵明挖車站動力響應(yīng)分析

鹿江

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，山東濟南　250022)

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砂卵石地層地鐵明挖車站動力響應(yīng)分析

鹿江

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，山東濟南250022)

摘要：以某地鐵明挖車站為實例，結(jié)合車站砂卵石地層的地質(zhì)特色，采用MIDAS巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型，對車站結(jié)構(gòu)抗震進行動力響應(yīng)計算分析，并與車站結(jié)構(gòu)的靜力計算及反應(yīng)位移法計算的結(jié)果進行對此。結(jié)果表明：在砂卵石地層下，地鐵明挖車站結(jié)構(gòu)的正截面承載力配筋由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計算控制，抗震工況不起控制作用，在局部抗震薄弱部位需加強構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：明挖車站；砂卵石地層；地震波；動力響應(yīng)分析

地下結(jié)構(gòu)已經(jīng)在城市軌道交通、地下綜合管廊、水利水電及國防等多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。最近國內(nèi)及國際地震災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)，大量的地下結(jié)構(gòu)及地下設(shè)施因地震造成了嚴重的破壞，特別是自1995年日本阪神地震以來，地下結(jié)構(gòu)的抗震安全可靠性越來越得到重視[1]。目前國內(nèi)對軌道交通地下結(jié)構(gòu)的抗震分析已經(jīng)形成了國家規(guī)范，抗震設(shè)防地區(qū)的城市軌道交通結(jié)構(gòu)必須進行抗震設(shè)計，地下結(jié)構(gòu)的抗震計算分析已經(jīng)進入了工程實際應(yīng)用階段。

目前地下結(jié)構(gòu)抗震問題的研究方法主要有地震觀測、試驗研究和理論分析3種[2]。地震觀測是指通過實測地下結(jié)構(gòu)在地震時的動力特性來了解地下結(jié)構(gòu)的地震特點；試驗研究分為人工震源試驗和振動臺試驗，但通過試驗很難反映出建構(gòu)筑物的非線性性質(zhì)和地基斷裂的特性；理論分析是通過數(shù)學(xué)、力學(xué)手段、有限元法等方法對運動方程進行求解，從而得出結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的地震反應(yīng)，例如靜力分析法、反應(yīng)位移法、動力響應(yīng)法等，目前已經(jīng)成為地下結(jié)構(gòu)抗震分析的主要方法。本文以某地鐵明挖車站為例，結(jié)合車站砂卵石地層的地質(zhì)特色，采用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型[3]，對車站結(jié)構(gòu)抗震進行了動力響應(yīng)計算分析，結(jié)合車站結(jié)構(gòu)的靜力分析、反應(yīng)位移分析的計算結(jié)果，得出車站抗震計算的控制工況。

1工程背景及地震波的選取

1.1工程背景

某明挖地鐵車站[4]為雙島四線換乘車站，站廳平行換乘，近期施工車站為地下雙層雙跨島式車站，車站寬21 m，高14 m，覆土厚度3.0 m，車站采用明挖法施工。車站總平面圖如圖1所示。

場區(qū)地層由上至下依次為雜填土層、黃土層、粉質(zhì)黏土層、砂卵石層。車站部分側(cè)墻及底板位于砂卵石層中，卵石層較厚，分布范圍廣，對車站結(jié)構(gòu)抗震及結(jié)構(gòu)分析影響較大，卵石層卵石粒徑較大，一般粒徑30～60 mm，局部達20 cm，充填砂土及少量黏性土，砂卵石地層對地震波的波形、頻率、波速、波幅都有一定的影響，在抗震參數(shù)選取時應(yīng)綜合考慮，巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。[5]

1.2地震波的選取

根據(jù)文獻[5-8]規(guī)定，場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g(g為重力加速度)，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.65 s，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)。本工程選取3組超越概率10%的地震波進行時程分析，并對地震波根據(jù)規(guī)范和場地特殊的砂卵石地層條件進行調(diào)整[9-11]。3種地震波如圖2所示。

圖1　車站總平面圖

層號土類名稱密度/(103kg·m-3)靜止側(cè)壓系數(shù)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)基床系數(shù)/(MPa·m-1)垂直水平承載力/kPa①1素填土1.730.55⑦黃土1.910.39361412.117.7120⑧粉質(zhì)黏土1.940.40371518.218.0140⑧1砂卵石2.100.3313230.035.0300⑩1卵石2.100.3323060.070.0400粉質(zhì)黏土1.890.39391920.223.6160

a) 地震波1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b) 地震波2

c)地震波3圖2　路面時域模擬圖

在綜合考慮場地內(nèi)特殊的砂卵石地層地質(zhì)條件、水文、場區(qū)地震類別后，得出具體車站結(jié)構(gòu)水平向峰值加速度和反應(yīng)譜參數(shù)(阻尼比5%)如表2所示。

表2　車站結(jié)構(gòu)水平向峰值加速度和反應(yīng)譜參數(shù)

2計算模型的確定

采用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型。在模型中，為避免應(yīng)力波在模型邊界上發(fā)生反射而使結(jié)果失真[12-13]，采用人工邊界進行處理。粘彈性人工邊界可以方便地與有限元法結(jié)合使用，通過在有限元模型中人工邊界節(jié)點的法向和切向分別設(shè)置彈簧元件和阻尼元件來完成[14]，如圖3所示。在本模型中，巖土采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，巖土與結(jié)構(gòu)單元間通過節(jié)點進行耦合連接。土體采用四面體單元模擬，車站結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，車站柱和梁采用梁單元模擬[15-20]，如圖4所示，分別對y方向(水平方向)的地震波1、地震波2、地震波3的3個工況進行計算，本文選取對車站結(jié)構(gòu)影響較大的工況2進行分析。

圖3　粘彈性人工邊界示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　計算模型

3計算結(jié)果分析

3.1結(jié)構(gòu)位移

根據(jù)動力計算模型，分析了在y方向地震荷載作用下模型及車站結(jié)構(gòu)的最大位移、層間位移如圖5、6(圖中單位為mm)和表3所示。

由圖5～ 6知，在地震過程中模型整體沿y正方向發(fā)生了移動，最大位移為272.3 mm，主體與附屬結(jié)構(gòu)相接處頂板位移較大。對車站結(jié)構(gòu)兩橫斷面的位移進行分析，獲得層間位移差，在y方向地震作用下結(jié)構(gòu)橫斷面最大位移差為2.376 4 mm，最大層間位移角為1/252 5，小于文獻[6]中的規(guī)定限值(1/250)?？梢哉J為結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

表3　y方向地震作用下層間位移差mm

圖5　模型最大位移圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　結(jié)構(gòu)最大位移圖

3.2結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)動力計算模型，分析了在y方向地震荷載作用下車站結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力(彎矩、剪力、軸力)云圖如圖7～10所示(圖7單位為kN·m，圖8～10單位為kN)。

圖7　結(jié)構(gòu)彎矩圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　結(jié)構(gòu)軸力圖

圖9　結(jié)構(gòu)剪力圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖10　中柱軸力圖

由圖7～10知，y方向地震引起的最大結(jié)構(gòu)彎矩發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)開口位置頂板及底板角部，最大彎矩為726.1 kN·m；最大結(jié)構(gòu)軸力發(fā)生在出入口底板位置，最大軸力為1 582.3 kN；最大結(jié)構(gòu)剪力發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)與出入口連接位置，最大結(jié)構(gòu)剪力為1 574.5 kN，可見，主體與附屬結(jié)構(gòu)(出入口、通道)連接部位為抗震薄弱部位，需采取加強措施。

3.3各計算工況組合對比

本文在對車站結(jié)構(gòu)進行抗震工況下的動力響應(yīng)計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合車站靜力分析的基本組合與準(zhǔn)永久組合計算結(jié)果、車站抗震工況下的反應(yīng)位移法的計算結(jié)果，對比如表4所示。

表4　各計算組合內(nèi)力值對比表

由表4可知，本明挖地鐵車站除框架柱外，各構(gòu)件正截面承載力配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計算控制，抗震工況不起控制作用。

4結(jié)論

1)在中震作用下，本明挖車站的結(jié)構(gòu)最大層間位移比均小于規(guī)范規(guī)定的1/250，可以認為結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，構(gòu)件截面及配筋均滿足抗震計算要求。

2)各組合工況的計算是基于本站特殊的砂卵石地層條件，在力學(xué)參數(shù)的選取、地震波的確定、結(jié)構(gòu)模型的水土分算上都有體現(xiàn)，相較于巖石等硬質(zhì)地層，本站砂卵石地層對車站結(jié)構(gòu)的抗震計算有一定影響。

3)本明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)下的基本組合、準(zhǔn)永久組合、抗震工況組合下的反應(yīng)位移法、時程分析法的計算結(jié)果表明：在砂卵石地層條件下，本明挖地鐵車站除框架柱外，各構(gòu)件正截面承載力配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計算控制，抗震工況不起控制作用，但在局部抗震薄弱部位(主體與附屬相接處、結(jié)構(gòu)斷面變化處、兩車站換乘通道處)需加強構(gòu)造措施。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Dynamic Response Analysis of Open-Cut Metro Station in Sandy Gravel Stratum

LUJiang

(ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd.,Jinan250022,China)

Abstract:An open-cut metro station is taken as an example. Combining the geological characteristics of sand and cobble stratum of the station, the finite element software GTS of Midas tunnel in rock and soil is used to establish three-dimensional finite element model. Then, the dynamic response calculation and analysis on the structural seismic of station is conducted, together with the static calculation of the station structure and the calculation of the response displacement method. The results show that in sandy cobble stratum, the cross-section capacity-bearing reinforcement of the open-cut metro station structure is controlled by the crack calculation under the combined action of the quasi permanent load instead of the seismic conditions and that it is necessary to take some measures to strengthen the structure in the local seismic weak positions.

Key words:open-cut metro station；sand and gravel stratum；seismic wave；dynamic response analysis

中圖分類號：U231.3

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)01-0053-06

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.010

作者簡介：鹿江(1986—)，男，山東肥城人，工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向為地下結(jié)構(gòu)，E-mail:425391721@qq.com.

收稿日期：2016-01-20