不同計算方法在暗挖地鐵車站抗震設(shè)計中的應(yīng)用研究

■ 中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 張金偉

當(dāng)前，社會發(fā)展步伐加快，地鐵線網(wǎng)逐年擴(kuò)大、線路愈發(fā)密集，周邊工程條件漸趨復(fù)雜。由于暗挖車站具有不影響交通、減少地下管線改移等優(yōu)勢，其應(yīng)用數(shù)量越來越多。地震對地鐵工程的影響巨大，需要對暗挖地鐵車站的抗震設(shè)計進(jìn)行深入的研究。目前，研究多集中在明挖車站或其他地下空間結(jié)構(gòu)[1]-[4]，針對暗挖地鐵車站的抗震設(shè)計研究還很少。本文通過兩種不同計算方法在暗挖地鐵車站抗震設(shè)計中的應(yīng)用研究，對抗震設(shè)計的適用性進(jìn)行評定。

1.工程概況

該地鐵車站位于北京市主城區(qū)交通干線下方，沿道路“一”字形布置。道路兩側(cè)為30層以上的高層住宅，車站上方埋設(shè)燃?xì)?、雨水、上水、電力、電信等多種地下管線。為減小車站施工時對道路的交通影響，并盡量不改移現(xiàn)狀管線，加之車站基底埋深約31m，局部深33m，車站采用暗挖法施工。車站標(biāo)準(zhǔn)段為兩層三跨結(jié)構(gòu)形式，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車站頂拱、底板及邊墻采用C40、P10砼，中板采用C40砼。

2.抗震設(shè)計條件及設(shè)防目標(biāo)

京津唐張地區(qū)自有歷史記載以來，共查證到5級以上地震60余次。平均每10年發(fā)生一次，頻率雖不高但破壞性極大。擬建場區(qū)設(shè)計地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g。25m深度范圍內(nèi)土層等效剪切波速值Vse在250m/s～500m/s之間。場地土類型為中軟—中硬土。場地類別為Ⅱ類，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。擬建場地地面下20m深度范圍內(nèi)的飽和粉土及砂土不液化。

當(dāng)遭受低于該工程抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，車站主體結(jié)構(gòu)不損壞，不影響周圍環(huán)境和市政設(shè)施正常運(yùn)營；當(dāng)遭受相當(dāng)于該工程抗震設(shè)防烈度的地震影響時，車站結(jié)構(gòu)不損壞或僅需對非重要結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行一般修理，對周圍環(huán)境影響輕微，不影響市政設(shè)施正常運(yùn)營；當(dāng)遭受高于該工程抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，車站結(jié)構(gòu)支撐體系不發(fā)生嚴(yán)重破壞且便于修復(fù)，無重大人員傷亡，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生嚴(yán)重影響，修復(fù)后市政設(shè)施可正常運(yùn)營。

3.抗震設(shè)計計算思路和方法

車站主體結(jié)構(gòu)沿縱向結(jié)構(gòu)形式連續(xù)且規(guī)則，橫向結(jié)構(gòu)斷面對稱，抗震分析時可近似按平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理，分別采用反應(yīng)位移法和時程分析法對車站進(jìn)行抗震驗收和分析，周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行建模，最后通過計算結(jié)果的比較，評價兩種不同計算方法的適用性。

計算時應(yīng)考慮土層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力和周圍剪力的作用。應(yīng)用Midas-GTS有限元分析計算軟件，采用平面框架結(jié)構(gòu)，車站底板支承在彈性地基上，通過“荷載—結(jié)構(gòu)”模型，計算構(gòu)件的彎曲、剪切和壓縮變形。然后根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，取最不利組合包絡(luò)，進(jìn)行承載能力的計算、變形及裂縫的驗算。

4.反應(yīng)位移法抗震計算分析

按巖土工程勘察報告，選取代表性鉆孔的地層參數(shù)并綜合考慮站區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行計算，地面標(biāo)高取41.06m，結(jié)構(gòu)頂板上覆土厚度取17.4m，結(jié)構(gòu)總高度15.1m?？垢∷粯?biāo)高34m。

4.1 輸入?yún)?shù)計算

（1） 彈簧支座位移計算

在結(jié)構(gòu)分析計算中，車站結(jié)構(gòu)負(fù)一層劃分單元為5個，負(fù)二層劃分單元為7個?；鶐r面埋深H=53.6m。經(jīng)計算，各支座位移在0.027m～0.0378m之間，最大相對位移約為0.01m。

（2） 彈簧剛度計算

加權(quán)平均各土層后相應(yīng)地基反力系數(shù)Kx=45MPa/m2；Kv=45MPa/m2。計算車站側(cè)墻與土體相互作用壓縮彈簧剛度kx=62.1MPa/m，剪切彈簧剛度kv=62.1MPa/m。計算底板與土體相互作用壓縮彈簧剛度kx=83.5MPa/m，剪切彈簧剛度kv=83.5MPa/m。計算作用于結(jié)構(gòu)頂板、底板、側(cè)墻剪切力分別為1.65、21.2、11.4 kN/m。

4.2 計算結(jié)果及分析

將計算的地震反應(yīng)位移施加于結(jié)構(gòu)的彈簧支座處，支座的約束反力即為施加于結(jié)構(gòu)側(cè)壁的地震作用力。計算結(jié)果如圖1所示。

計算最大彎矩為2371KN·m，發(fā)生在側(cè)墻角部，與靜力計算結(jié)果比較，該地震組合不控制車站結(jié)構(gòu)各構(gòu)件配筋。

5.時程分析法抗震計算分析

計算50年超越概率63%、10%、5%、2%、1%共5種概率水準(zhǔn)的基巖水平峰值加速度分別為39.00、163.70、221.40、293.00、348.10gal，持時參數(shù)分別為 8.0、9.5、10.0、10.0、10.0s。

圖1 計算結(jié)果圖示

圖2 時程分析法計算結(jié)果圖示

表1 內(nèi)力計算結(jié)果對比表

5.1 計算模型及輸入

采用波動法進(jìn)行地震動輸入，三向地震波輸入時，其加速度最大值按照1（水平X方向）：0.85（水平Y(jié)方向）：0.65（豎向）的比例調(diào)整，模型邊界采用粘彈性吸收邊界。計算模型的側(cè)面人工邊界距地下結(jié)構(gòu)為3倍車站水平有效寬度，底面人工邊界距結(jié)構(gòu)為3倍車站豎向有效高度，上表面取至實際地表。

5.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果如圖2所示。

彎矩最大發(fā)生在底板與側(cè)墻接口部位，為2197KN·m。

6.不同計算方法對比分析

根據(jù)以上計算結(jié)果，對不同計算方法所得各項內(nèi)力進(jìn)行對比分析，如表1所示。

7.結(jié)論與討論

（1）時程分析法與反應(yīng)位移法兩種計算方法除個別點(diǎn)以外，內(nèi)力計算結(jié)果較為接近，達(dá)到了互相驗證的目的，同時表明兩種方法均適用于暗挖地鐵車站的抗震設(shè)計。時程分析法與反應(yīng)位移法兩種方法計算結(jié)果有所區(qū)別，時程分析法頂板相對底板位移較反應(yīng)位移法大，這主要是由于兩種計算方法在位移計算、模型邊界約束及彈簧布置等方面有所不同導(dǎo)致。

（2）通過計算發(fā)現(xiàn)，無論是反應(yīng)位移法還是時程分析法都不控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，最終以基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合控制。因地震狀態(tài)下各彈簧支座的相對位移最大在50mm左右，可推斷出地震作用使得車站結(jié)構(gòu)對周邊環(huán)境如地表、管線、建（構(gòu)）筑物的影響較小，不會構(gòu)成較大的破壞。

（3）通過構(gòu)造措施改善結(jié)構(gòu)受力，遵守“強(qiáng)柱、弱梁、更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)”原則。同時，對鋼管柱節(jié)點(diǎn)和梁的連接部位進(jìn)行加強(qiáng)、設(shè)置節(jié)點(diǎn)腋角，并在結(jié)構(gòu)開洞處應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)圈梁或環(huán)框梁。