典型地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計研究

王月輝

摘 要：近年來，隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)外對地鐵車站的抗震分析研究也越來越重視，但現(xiàn)行的抗震分析方法都存在不同程度的局限性，導致用不同方法計算得出的結(jié)果存在很大差異。本文基于大型通用有限元計算軟件ABAQUS對濟南市典型地鐵車站結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬計算與分析。并與傳統(tǒng)的抗震簡化方法反應(yīng)位移法和靜力分析等計算結(jié)果比較，分析了典型地鐵車站在在地震作用下的動力響應(yīng)特征，并討論了車站考慮地震工況時的配筋設(shè)計，為提高地下軌道交通建筑抗震設(shè)計水平、改進地鐵車站建筑抗震設(shè)計方法提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計

1工程概況

近年來，濟南市加大了城市軌道交通的建設(shè)，根據(jù)最新的《濟南市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃（2016-2023）》，新一輪的地鐵規(guī)劃除結(jié)合第一輪建設(shè)規(guī)劃對R2線一期進行調(diào)整外，還有8個新增項目，軌道交通遠景線網(wǎng)共有9條線路構(gòu)成。

根據(jù)現(xiàn)有地震安評報告顯示：本車站工程場地大地構(gòu)造位于魯西斷塊，從公元408年-2014年12月，本區(qū)域范圍內(nèi)共記錄到M≥4.7級地震41次，其中6-6.9級地震6次，7-7.9級地震一次，8級以上地震1次。區(qū)域范圍內(nèi)地震活動處于華北地區(qū)第四活躍期后期，未來100年仍有發(fā)生7級地震的可能。

與地上結(jié)構(gòu)不同的是，地下結(jié)構(gòu)由于受到周圍土體的約束，其在地震作用下的破壞程度明顯低于地上結(jié)構(gòu)。但是1995年日本的阪神地震造成神戶地鐵車站及隧道工程嚴重破壞，這給當時的傳統(tǒng)觀念帶來極大沖擊。由此可見，開展地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震性能研究的任務(wù)十分緊迫，不僅對濟南市城市交通建設(shè)的開展有實際意義，對其他地區(qū)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計也有參考價值。

2土-結(jié)構(gòu)相互作用數(shù)值計算模型

本文選取實際工程（濟南市軌道交通）中典型地鐵車站結(jié)構(gòu)為研究對象，如圖1所示結(jié)構(gòu)橫斷面。本車站采用地下三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)梁、板、柱截面尺寸及材料參數(shù)見表1。車站高度22.20m，寬度25.69m，中柱沿車站縱向間距為9m。

車站覆土厚度2.82m。土層的選取范圍，一般頂面取地表面，底面取等效基巖面，水平向自結(jié)構(gòu)側(cè)壁至邊界的距離宜至少取結(jié)構(gòu)水平有效寬度的3倍。本文土―結(jié)構(gòu)相互作用模型的土層深度取70m，土層兩邊的水平邊界距結(jié)構(gòu)邊取結(jié)構(gòu)寬度的3倍。土層模型參數(shù)見表2。

最終的土―結(jié)構(gòu)相互作用模型見圖2。當?shù)叵萝囌窘Y(jié)構(gòu)沿縱向結(jié)構(gòu)形式連續(xù)、規(guī)則、橫向斷面構(gòu)造不變，周圍土層沿縱向分布一致時，可只沿橫向計算水平地震作用并進行抗震驗算，抗震分析可近似按平面應(yīng)變問題處。本文所建立的地鐵車站模型簡化為平面框架，土體采用二維減縮積分平面應(yīng)變模擬，車站結(jié)構(gòu)柱、板、梁均采用梁單元模擬。

為簡化分析，車站結(jié)構(gòu)與周圍土體采用tie連接，地震時土層與結(jié)構(gòu)假定不脫開。結(jié)構(gòu)與土體均采用線彈性本構(gòu)模型。模型底部邊界輸入地震動，計算模型側(cè)向邊界采用無限元模擬，具體實施步驟參考文獻。平衡地應(yīng)力采用ABAQUS命令*initial conditions，type=stress，input=FileName.inp，先平衡地應(yīng)力再施加地震作用。最終的模型節(jié)點個數(shù)4190個，單元個數(shù)4016個。

3地震動選取

擬建場地基本抗震設(shè)防烈度按7度考慮，設(shè)計基本地震加速度值為0.1g，城市軌道交通的地下隧道抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），本車站抗震等級為三級，并按二級采取抗震構(gòu)造措施。關(guān)于設(shè)計地震動參數(shù)的選取，濟南市地下車站基巖處地震加速度時程采用50年超越概率10%（峰值加速度0.089g）和50年超越概率2%（峰值加速度0.15g）兩個概率水準的基巖水平向地震動加速度時程，每概率水準一組。地震動峰值加速度調(diào)整至PGA=0.1g，計算式地震波時程截取5-30s。詳見圖3、圖4。

4數(shù)值計算結(jié)果及分析

有關(guān)研究表明，豎向地震作用對結(jié)構(gòu)影響較小，故對車站斷面只考慮水平方向地震波的影響。根據(jù)動力時程計算結(jié)果，分析車站結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力規(guī)律，限于篇幅，在此僅分析結(jié)構(gòu)在一條地震動下的位移最大值、層間位移、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最大值以及車站標準斷面的內(nèi)力及層間位移。

4.1水平向地震作用結(jié)果

圖5給出了結(jié)構(gòu)模型和車站結(jié)構(gòu)在地震作用下某一時刻的水平位移圖，地震過程中模型整體沿水平方向發(fā)生了移動，數(shù)據(jù)處理后得到車站結(jié)構(gòu)最大位移為138 mm。

4.2橫斷面層間位移

對車站結(jié)構(gòu)標準橫斷面的位移值進行分析，獲得層間位移差。水平向地震下橫斷面層間位移差見表3。其中地下一層、地下二層和地下三層的最大層間位移角分別為1/629、1/1055、1/1055。由此可見，在水平向地震作用下結(jié)構(gòu)橫斷面層間位移差較小。計算層間位移角滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50909-2014）中的抗震性能要求為Ⅱ時，矩形斷面結(jié)構(gòu)層間位移角1/250的要求。

4.3內(nèi)力分析

圖7給出了在水平向地震作用下，結(jié)構(gòu)某一時刻的最大內(nèi)力（彎矩、剪力、軸力）云圖。計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)彎矩、軸力、剪力值均較小，其中彎矩最大值為1948 KN·m，軸力最大值為2184KN，剪力最大值為755KN。靜力及水平向地震作用下中柱軸力見圖7所示。由上圖可知，中柱最大軸力為1182kN，中柱最大軸壓比為1182x9x1000/21.1/700/1400=0.36<0.75。可知在地震組合下中柱柱軸壓比均小于0.75，滿足要求。

對于軌道交通地下結(jié)構(gòu)的地震作用分析和計算常用的方法有地震系數(shù)法、反應(yīng)位移法，時程分析方法等。地下結(jié)構(gòu)宜按表4選用地震反應(yīng)計算方法。本文用反應(yīng)位移法作為對比，驗證用動力時程法的分析結(jié)果。

反應(yīng)位移法以一維土層地震反應(yīng)計算為基礎(chǔ)，認為地下結(jié)構(gòu)在地震時的反應(yīng)主要取決于周圍土層的變形。將土層在地震時產(chǎn)生的最大變形通過地基彈簧以靜荷載的形式作用在結(jié)構(gòu)上，以此計算結(jié)構(gòu)反應(yīng)。其中，地基彈簧是為了考慮結(jié)構(gòu)剛度與土層剛度的不同，定量表示兩者相互作用時引入的單元。采用反應(yīng)位移法進行地下結(jié)構(gòu)橫截面的抗震計算時，需考慮土層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力三種地震作用。限于篇幅，在此僅給出在相同的地震動作用下反應(yīng)位移法計算結(jié)果，所用軟件為AUTODESK ROBOT2013。詳見圖7所示。

典型車站反應(yīng)位移分析結(jié)果顯示，車站主體結(jié)構(gòu)在地震工況下，軸壓比=1.1*1030.98*9/（0.7*1.4*21.1）/1000=0.49，滿足三級抗震要求。最大彈性層間位移比=（1.8-1.0）/728=1/910，滿足規(guī)范要求。

最后，將時程分析法、反應(yīng)位移法得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值與結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果列表對比，見表5。通過比較發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)位移法得到的內(nèi)力值普遍大于時程分析法的結(jié)果，但是在對結(jié)構(gòu)進行配筋設(shè)計時，靜力分析結(jié)果起控制作用，說明用現(xiàn)行的靜力分析手段進行車站結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的 。但對車站結(jié)構(gòu)上部局部建有建筑物或構(gòu)筑物時或沿車站結(jié)構(gòu)縱向土層分布有顯著差異時；同時在平面和豎向兩個方向結(jié)構(gòu)變化較多或復雜時，靜力分析結(jié)果可能偏于保守，仍需要用時程分析方法建立三維模型分析。

5結(jié)語

本文通過大型通用有限元軟件ABAQUS，對濟南市某典型地鐵車站結(jié)構(gòu)進行了動力響應(yīng)數(shù)值計算與分析，并與反應(yīng)位移法、靜力分析結(jié)果進行了對比，完成了車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計。分析結(jié)果表明：

（1）對于沿縱向結(jié)構(gòu)形式連續(xù)、規(guī)則、橫向斷面構(gòu)造不變，周圍土層沿縱向分布一致時的典型地鐵車站，可近似按平面應(yīng)變問題進行抗震驗算，地震工況并不起控制作用，但對于車站結(jié)構(gòu)或土層情況復雜的地鐵車站，這種簡化方法可能偏于保守，需建立車站結(jié)構(gòu)的三維實體模型分析。

（2）反應(yīng)位移法由于忽略了結(jié)構(gòu)本身慣性力，將地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)歸結(jié)于結(jié)構(gòu)所在位置的地層變位，從而把地下結(jié)構(gòu)所受的地震作用簡化為擬靜力，得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力普遍大于時程分析結(jié)果。

（3）對于沿縱向結(jié)構(gòu)規(guī)則、土層變化不大的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳統(tǒng)的不考慮地震作用的靜力分析方法往往起控制作用，但對于結(jié)構(gòu)形式復雜、土層沿縱向分布復雜的車站結(jié)構(gòu)，仍需要建立三維時程分析模型與靜力分析方法對比。

參考文獻：

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[4]ABAQUS有限元分析實例詳解.

[5]ABAQUS有限元分析常見問題解答.

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