采用不同隔震形式的雙層地鐵地下車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

莊海洋 李晟 王偉 陳國(guó)興

摘要 針對(duì)地鐵地下車站結(jié)構(gòu)中柱、中板等抗震薄弱構(gòu)件，分別研究了車站結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)完全約束結(jié)構(gòu)形式下，在上下層中柱頂部設(shè)置彈性滑移支座時(shí)，以及本文提出的在中板邊緣及底層中柱設(shè)置隔震支座時(shí)的地震反應(yīng)特性，建立了土?地下結(jié)構(gòu)非線性靜動(dòng)力耦合相互作用的二維有限元分析模型，對(duì)比分析了采用不同隔震形式對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力反應(yīng)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)車站結(jié)構(gòu)相比，在中柱頂部設(shè)置彈性滑移支座能有效降低車站中柱處的地震損傷，具有更好的抗震性能。采用本文提出的中板邊緣及底層中柱設(shè)置隔震支座，可以在減小中柱所受地震損傷的同時(shí)，有效地保證結(jié)構(gòu)中板在強(qiáng)地震中不受嚴(yán)重?fù)p傷，從而提高車站的整體抗震性能。

關(guān)鍵詞 隔震支座; 抗震性能; 地鐵地下車站結(jié)構(gòu); 地震損傷; 數(shù)值模擬

引 言

在強(qiáng)地震荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)往往受到嚴(yán)重?fù)p傷。近年來(lái)的屢次震災(zāi)給世人敲響了警鐘。地下結(jié)構(gòu)的地震變形明顯區(qū)別于地上結(jié)構(gòu)，其抗震安全性能也應(yīng)該受到重視。在強(qiáng)地震作用下，地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的中柱由于抗震性能水平的不足，高軸壓比情況下缺乏側(cè)向變形能力［1］，在地震荷載作用下往往發(fā)生垮塌。隨著城市地鐵線路的不斷完善，車站結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，因此兩層三跨框架式地鐵地下車站結(jié)構(gòu)越來(lái)越多地被采用。板作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，為人類提供了活動(dòng)的平臺(tái)［2］，地震過(guò)程中坍塌會(huì)直接對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。地鐵車站結(jié)構(gòu)作為“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的重點(diǎn)工程，其中板與中柱搭接了人類活動(dòng)的直接平臺(tái)，承擔(dān)著重要的客流運(yùn)輸任務(wù)，如果發(fā)生地震破壞勢(shì)必會(huì)造成巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)其抗震性能水平和地震破壞機(jī)理的研究，現(xiàn)已成為“韌性城市”領(lǐng)域的熱點(diǎn)及難點(diǎn)課題。

在以往的研究及試驗(yàn)中，人們普遍認(rèn)為中柱倒塌是導(dǎo)致中板破壞的直接原因，在地震波作用下，強(qiáng)大的水平荷載使中柱達(dá)到抗剪極限并逐漸產(chǎn)生屈服破壞，柱體的豎向承載能力得到極大削弱并在持續(xù)加荷下發(fā)生整體壓彎變形，中板在中柱發(fā)生壓彎破壞后屈服，隨之發(fā)生整個(gè)地鐵車站的垮塌［3］。已有部分學(xué)者開(kāi)展了地鐵地下車站結(jié)構(gòu)中柱采用針對(duì)性保護(hù)措施的相關(guān)研究，結(jié)果表明在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置隔震支座［4?5］，可以降低地鐵地下車站結(jié)構(gòu)中柱的側(cè)向變形和地震損傷程度。還毅等［6］通過(guò)分析大開(kāi)地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)情況，初步分析了隔震支座減小結(jié)構(gòu)整體的變形與損傷破壞的機(jī)理。Ma等［7］提出結(jié)構(gòu)的破壞是由于中柱延展性差造成的，并確定了支座滑動(dòng)軸承系數(shù)的推薦范圍。Zhuang等［8］通過(guò)定義中柱與縱梁間接觸面對(duì)（master?slaver?surface）的方法初步模擬了彈性滑移支座的相對(duì)滑移，并指出采用隔震支座將增大車站的板與側(cè)墻連接部位的震時(shí)損傷面積。然而目前對(duì)于地下結(jié)構(gòu)關(guān)于板的抗震依舊停留在傳統(tǒng)的“以剛克剛”的方式，即通過(guò)增加板配筋，采用較高型號(hào)的混凝土來(lái)加強(qiáng)中板的抗震性能情況。但由于強(qiáng)地震作用下地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的變形與破壞明顯受到周圍場(chǎng)地土體的約束與影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大型復(fù)雜地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的中板和中柱保護(hù)方法的研究仍有待進(jìn)一步開(kāi)展、深入。

鑒于此，本研究根據(jù)兩層地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的地震損傷特性，以提升地鐵地下車站結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重的中柱及中板的抗震性能為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種在底層中柱及板端設(shè)置彈性滑移隔震支座“以柔克剛”的地下結(jié)構(gòu)形式；基于大型商用有限元軟件ABAQUS，建立了土?地下結(jié)構(gòu)非線性靜動(dòng)力耦合相互作用的二維整體時(shí)域有限元分析模型，系統(tǒng)地對(duì)比研究了不同基巖輸入地震動(dòng)作用下車站結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式下，在上下層中柱頂部設(shè)置彈性滑移支座時(shí)，以及本文提出的在中板邊緣及底層中柱設(shè)置隔震支座時(shí)車站的側(cè)向變形、地震損傷和動(dòng)內(nèi)力反應(yīng)等結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性，驗(yàn)證了本文提出的隔震形式能夠有效保護(hù)車站中柱及中板，進(jìn)而提高車站的整體抗震性能。

1 數(shù)值模型與方法

1.1 地鐵地下車站結(jié)構(gòu)概況

本研究選用南京某實(shí)際場(chǎng)地兩層三跨地鐵車站，橫斷面結(jié)構(gòu)特征和具體尺寸如圖1所示。車站結(jié)構(gòu)整體高度為12.49 m，橫斷面寬度為21.2 m；結(jié)構(gòu)上層側(cè)墻為0.7 m，下層側(cè)墻厚度0.8 m；頂板、中板和底板的厚度分別為0.7，0.35和0.8 m。原型車站每跨間距9.12 m，結(jié)構(gòu)中柱直徑0.8 m。車站主體結(jié)構(gòu)與中柱均采用C30混凝土，結(jié)構(gòu)鋼筋均選用HPB235。地連墻采用疊合墻的形式與主體結(jié)構(gòu)相連，假定兩者間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移與分離。

1.2 彈性滑移支座與設(shè)置

本研究采用的彈性滑移支座結(jié)構(gòu)由滑板、不銹鋼板、疊層橡膠及上下連接板組成，主體結(jié)構(gòu)為鋼制。不銹鋼板與滑板之間的接觸面是支座的核心部位，在初始荷載的作用下，滑動(dòng)面存在著初始屈服剪力作用。受到地震荷載作用時(shí)，接觸面將因?yàn)椴蛔阋猿惺芩较蚝奢d而發(fā)生相對(duì)滑移。疊層橡膠起著調(diào)節(jié)剛度的作用。已有研究表明，在不使用潤(rùn)滑劑時(shí)彈性滑移支座滑動(dòng)面的動(dòng)摩擦系數(shù)一般在0.1左右，使用潤(rùn)滑劑后可降至0.01，且滑動(dòng)速度、環(huán)境溫度等對(duì)摩擦系數(shù)均有一定程度的影響［9?10］。

1.3 土與鋼筋混凝土材料的動(dòng)力本構(gòu)模型

本研究中土體本構(gòu)部分采用由莊海洋等［11］基于塑性力學(xué)原理建立的軟土非線性記憶型嵌套本構(gòu)模型。該模型的可靠性已通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)驗(yàn)證，并成功用于過(guò)江大直徑管廊盾構(gòu)隧道抗震性能研究、深厚軟弱場(chǎng)地地震效應(yīng)分析等多個(gè)研究項(xiàng)目。場(chǎng)地各層土體的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

混凝土材料的本構(gòu)模型部分，采用由Lee等［12］與Lubliner等［13］改進(jìn)得到的黏塑型損傷模型，該本構(gòu)模型采用了兩個(gè)不同的損傷變量描述混凝土破壞時(shí)的剛度衰減規(guī)律。通過(guò)觀察混凝土的損傷因子變化趨勢(shì)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)震時(shí)的受壓及受拉損傷情況進(jìn)行評(píng)估。中板兩側(cè)的橡膠墊塊部分，本文采用了超彈性本構(gòu)Mooney?Rivlin進(jìn)行模擬。Mooney?Rivlin本構(gòu)為工程實(shí)踐中最常使用的橡膠本構(gòu)之一，通過(guò)定義三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其在應(yīng)變范圍內(nèi)能夠較好地模擬其受力特性，根據(jù)相關(guān)研究［14］，對(duì)于彈性滑移支座，其C10，C01及D1分別取0.16 MPa，0.04 MPa及0.002 （MPa）-1。此外，鋼筋材料選取線彈性本構(gòu)進(jìn)行離散，采用“Embedded region”的方式嵌入到地連墻及車站主體結(jié)構(gòu)之中，鋼筋的彈性模量為210 GPa。計(jì)算過(guò)程中忽略鋼筋與主體結(jié)構(gòu)間的相對(duì)滑移。材料的本構(gòu)模型參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。

1.4 有限元分析模型

為了合理反映土體與車站結(jié)構(gòu)之間、彈性滑移支座內(nèi)部的動(dòng)力接觸特性，在不同介質(zhì)間定義了不同的主從接觸面。車站結(jié)構(gòu)與土體之間的切向接觸通過(guò)定義“Penalty”函數(shù)進(jìn)行模擬，即當(dāng)剪應(yīng)力Fs大于接觸面間的最大摩擦力fmax時(shí)，兩者將發(fā)生切向滑動(dòng)；接觸面的法向接觸為“Hard”接觸，即當(dāng)?shù)卣鹱饔孟聝烧叱霈F(xiàn)拉力Fp時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)⒘⒓窗l(fā)生分離。根據(jù)相關(guān)研究［16］，混凝土與土體各接觸面間的摩擦系數(shù)，在有限元計(jì)算過(guò)程中均取0.4。如圖2所示，在Condition 1中，對(duì)于采用傳統(tǒng)連接的地鐵地下車站結(jié)構(gòu)，柱子頂端與結(jié)構(gòu)縱梁之間均采用綁定的約束形式進(jìn)行模擬，即假定柱端與縱梁之間將不會(huì)發(fā)生分離和滑動(dòng)現(xiàn)象。Condition 2為采用兩層柱頂隔震的車站結(jié)構(gòu)，為了模擬彈性滑移支座受力時(shí)的相對(duì)滑動(dòng)，把單個(gè)彈性滑移支座分為上下兩部分，將其分別進(jìn)行建模，并將其頂?shù)酌娣謩e與縱梁、中柱頂部綁定，通過(guò)在彈性滑移支座的上下兩部分交界面處定義接觸面對(duì)（master?slaver?surface），使得支座在震時(shí)能發(fā)生相對(duì)摩擦及滑動(dòng)。根據(jù)已有的研究，彈性滑移支座滑動(dòng)面摩擦系數(shù)取為0.025［17］。在Condition 3中，為便于兩側(cè)鋼板滑移支座的設(shè)置，在車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻與中板連接處改為牛腿，從而為中板提供一個(gè)平臺(tái)，使中板可以通過(guò)彈性滑移隔震支座搭設(shè)在牛腿上。中板兩端設(shè)置的板式滑移支座體系與柱頂支座略有不同，中板底部及牛腿頂部加設(shè)了5 cm厚的鋼板，并在中板端部與側(cè)墻連接處設(shè)置了20 cm厚的疊合橡膠。上下鋼板交界處定義了接觸面對(duì)（master?slaver?surface），使上下鋼板之間能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)?；瑒?dòng)面摩擦系數(shù)同樣取為0.025。橡膠墊塊的左右兩側(cè)分別于中板、側(cè)墻綁定連接，由于其具有較為優(yōu)越的延展性，使得在地震荷載作用下中板能發(fā)生左右滑移。在車站有限元模型中，對(duì)側(cè)墻牛腿部位配筋按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了加密處理。

基于商用有限元軟件ABAQUS建立的地鐵地下車站結(jié)構(gòu)整體有限元分析模型如圖2所示。為了兼顧模型計(jì)算的精確與高效，土體網(wǎng)格采用四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變單元（CPE4），土體單元網(wǎng)格的尺寸在1～2 m之間變化，從而使得土體單元的網(wǎng)格尺寸小于體系最小波長(zhǎng)的1/6～1/8［18］，滿足數(shù)值模型的計(jì)算精度要求。車站主體結(jié)構(gòu)采用四結(jié)點(diǎn)平面減縮積分應(yīng)變單元（CPE4R），單元網(wǎng)格的尺寸約為0.2 m。橡膠墊塊采用四結(jié)點(diǎn)雜化單元（CPE4H），因墊塊體積較小，單元網(wǎng)格尺寸劃分約為0.1 m，并在橫向上予以加密。鋼筋采用梁?jiǎn)卧˙21）進(jìn)行等效，單元網(wǎng)格的尺寸約為0.2 m。為考慮土體的初始靜應(yīng)力狀態(tài)對(duì)體系的影響，本研究采用Zhuang等［11］建立的土?地下結(jié)構(gòu)非線性靜動(dòng)力耦合作用有限元分析方法。根據(jù)樓夢(mèng)麟等［19］的研究，地基側(cè)向截取對(duì)模型動(dòng)力反應(yīng)有一定的不利影響。這種影響在B/b≥5時(shí)可以忽略，其中b是地鐵結(jié)構(gòu)模型的寬度，B是整個(gè)體系基礎(chǔ)土體的總寬度。因此，本研究中模型場(chǎng)地的寬度、厚度分別取為200 m，80 m。

1.5 輸入地震動(dòng)的選取

本研究輸入四條地震波的信息及加速度反應(yīng)譜見(jiàn)文獻(xiàn)［20］。根據(jù)已有研究表明［21］，通過(guò)計(jì)算峰值加速度（PGA）與峰值速度（PGV）的比值可計(jì)算出地震動(dòng)頻率，進(jìn)而評(píng)價(jià)其對(duì)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響。據(jù)此可計(jì)算出Kobe波及El?Centro波屬于中頻振動(dòng)波；臥龍波屬于高頻振動(dòng)波；什邡八角波則屬于低頻振動(dòng)波。本文所選輸入地震動(dòng)分別具有高、中、低頻的振動(dòng)特征，四條基巖輸入地震動(dòng)的加速度峰值（PBA）分別調(diào)整為0.3g和0.5g。從理論上講，就地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)而言，應(yīng)從基巖表面或假設(shè)的基巖表面輸入地震動(dòng)，本文中選擇的四條地震波可近似視為近場(chǎng)基巖波，適合作為基巖地震動(dòng)（Peak Bedrock Acceleration）來(lái)考慮土體與地下結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力相互作用。

2 車站結(jié)構(gòu)整體抗震性能分析

2.1 車站結(jié)構(gòu)層間位移角

表1給出了不同計(jì)算工況下車站結(jié)構(gòu)的層間位移角幅值。就不同的隔震支座設(shè)置形式而言，在基巖輸入地震動(dòng)PBA=0.3g中震狀態(tài)下，在兩層柱頂均設(shè)置隔震支座的結(jié)構(gòu)，其層間位移角略小于中板滑移式隔震結(jié)構(gòu)；當(dāng)受到PBA=0.5g大震荷載作用時(shí)，與兩層柱頂隔震體系相比，使用中板滑移式隔震體系并不會(huì)過(guò)多加大結(jié)構(gòu)的層間位移角。原因是該隔震形式在中板兩端設(shè)置了超彈性的橡膠墊層，中板通過(guò)疊層橡膠與側(cè)墻相連，中板底端滑動(dòng)支座發(fā)揮著摩擦的作用，超彈性橡膠材料在吸收能量的同時(shí)，也能對(duì)中板及側(cè)墻起到一定的限位功能，從而彌補(bǔ)了單一隔震技術(shù)的不足，更好地保護(hù)車站主體結(jié)構(gòu)。

就不同的輸入地震動(dòng)而言，車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)具有明顯的差異，輸入具有低頻振動(dòng)特征的什邡八角波時(shí)車站結(jié)構(gòu)的層間位移角明顯大于輸入具有中、高頻振動(dòng)特征的Kobe波、臥龍波的層間位移角。究其原因應(yīng)為本工程場(chǎng)地特征周期較長(zhǎng)，場(chǎng)地軟土特征較為明顯，輸入具有低頻振動(dòng)特征的什邡八角波時(shí)場(chǎng)地地震反應(yīng)最為強(qiáng)烈，進(jìn)而導(dǎo)致地下車站結(jié)構(gòu)周圍側(cè)向地基的頂?shù)组g相對(duì)側(cè)移量較大。

2.2 車站結(jié)構(gòu)地震損傷

為進(jìn)一步分析不同結(jié)構(gòu)形式地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的抗震性能，圖3和4分別給出了采用傳統(tǒng)完全約束結(jié)構(gòu)、兩層柱頂隔震結(jié)構(gòu)和中板滑移式隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，輸入峰值加速度PBA=0.3g（中震）和PBA=0.5g（大震）Kobe波的工況下，地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震破壞情況（當(dāng)混凝土材料發(fā)生完全受拉開(kāi)裂破壞時(shí)，云圖中DAMAGET的數(shù)值將接近于1）。

由圖3可知，輸入峰值加速度PBA=0.3g工況下，采用傳統(tǒng)連接方式的車站主體結(jié)構(gòu)在頂?shù)装迮c側(cè)墻連接處、中板處及兩層中柱處均出現(xiàn)明顯的地震受拉損傷，尤其是在頂?shù)讓又兄c縱梁交界處，柱體損傷區(qū)域明顯。出現(xiàn)這種情況的原因是在二維模型建模時(shí)依據(jù)原型車站每跨的間距，將原型的中柱折減成了一堵墻，混凝土的彈性模量及各項(xiàng)參數(shù)也隨之進(jìn)行了折減，因此車站結(jié)構(gòu)的中柱位置與主體結(jié)構(gòu)其他部位存在明顯的強(qiáng)弱關(guān)系。在地震作用下中柱端部受到了強(qiáng)烈的彎剪作用，中柱混凝土受損破裂的同時(shí)，其水平與豎向承載能力急劇降低，最終引起中板的坍塌與整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的破壞。

與中柱完全約束的結(jié)構(gòu)相比，在兩層柱頂設(shè)置隔震支座的結(jié)構(gòu)中板左右兩端的損傷面積區(qū)域略微加大，頂、底板損傷也呈現(xiàn)輕微加重趨勢(shì)，但頂、底層中柱的損傷顯著減小，且中板中間跨的損傷也明顯小于傳統(tǒng)完全約束結(jié)構(gòu)，表明設(shè)置滑移隔震支座的地下結(jié)構(gòu)在地震中具有更高的抗震性能。采用中板滑移式隔震體系的車站結(jié)構(gòu)頂板兩端損傷略有增大，側(cè)墻底部倒角處出現(xiàn)貫穿截面的損傷；與傳統(tǒng)完全約束結(jié)構(gòu)相比，中板滑移式車站的頂層中柱受拉損傷明顯減小，底層中柱頂部及底部未出現(xiàn)明顯的地震受拉損傷，車站中板處也未見(jiàn)明顯損傷，主要原因是中板兩側(cè)滑移支座的設(shè)置改變了車站的受力方式，中板處混凝土不再與側(cè)墻直接連接，地震時(shí)中板將在荷載的作用下發(fā)生相對(duì)滑移，且中板兩側(cè)的疊合橡膠材質(zhì)柔軟，一定程度上也起到了保護(hù)中板的作用。值得注意的是上層中柱柱頂也出現(xiàn)較輕程度損傷，這應(yīng)是中板與結(jié)構(gòu)主體的連接全部依附于柱頂而造成的，中板板端設(shè)置彈性滑移隔震支座結(jié)構(gòu)的側(cè)墻牛腿部位，在大震時(shí)可能由于截面突變出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的貫穿截面的破壞，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

輸入峰值加速度PBA=0.5g工況下，三種結(jié)構(gòu)在頂?shù)装迮c側(cè)墻連接處的地震受拉損傷程度明顯加重，地震損傷完全貫穿整個(gè)截面且形成大范圍的損傷橫貫連通區(qū)域；采用傳統(tǒng)完全約束的車站主體結(jié)構(gòu)頂、底層中柱出現(xiàn)全截面貫穿地震受拉破壞，頂?shù)装鍍啥颂幰渤霈F(xiàn)了嚴(yán)重的地震受拉損傷，且結(jié)構(gòu)中板與縱梁連接處也出現(xiàn)了較明顯的受拉損傷；在兩層中柱頂部設(shè)置滑移隔震支座的結(jié)構(gòu)，在頂?shù)讓又w端部的損傷明顯小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，中板與縱梁上下連接處的損傷也略有減輕，但在中板兩端的損傷區(qū)域有所增大，尤其在與側(cè)墻連接處，破壞范圍出現(xiàn)了較為明顯的延伸；與之前兩類結(jié)構(gòu)相比，采用中板滑移式隔震體系的車站結(jié)構(gòu)頂層中柱處僅出現(xiàn)輕微的地震受拉損傷，底層中柱未出現(xiàn)明顯損傷，且中板與縱梁、側(cè)墻連接處也得到了較好的保護(hù)，然而頂?shù)装鍝p傷有一定程度的延伸。

通過(guò)上述分析表明：當(dāng)?shù)罔F地下車站結(jié)構(gòu)中柱處設(shè)置彈性滑移支座時(shí)，車站結(jié)構(gòu)中柱和中板中間跨的地震損傷明顯減輕，而頂?shù)装寮爸邪鍍啥说牡卣饟p傷將會(huì)略微加重。與兩層柱頂隔震結(jié)構(gòu)相比，中板滑移式隔震體系在明顯減小頂、底層中柱損傷的同時(shí)，有效提高了車站結(jié)構(gòu)中板的安全系數(shù)。考慮到地鐵地下車站結(jié)構(gòu)中柱及中板破壞是混凝土結(jié)構(gòu)坍塌的主要誘因，因此在地鐵車站中板端部及底層中柱處設(shè)置滑移隔震支座，整體上可以提高地鐵車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

2.3 車站結(jié)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)的內(nèi)力情況

為進(jìn)一步探究滑移隔震支座的設(shè)置對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，這里給出了地鐵地下車站主體結(jié)構(gòu)及中柱頂?shù)锥岁P(guān)鍵結(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力情況，并將三種結(jié)構(gòu)所得內(nèi)力時(shí)程進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面定義Reference Point參考點(diǎn)，可以了解到結(jié)構(gòu)地震時(shí)的內(nèi)力變化情況。由于本文建立的是二維模型，因此車站結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力情況為平面內(nèi)力計(jì)算值乘以每跨的間距。

2.3.1 主體結(jié)構(gòu)彎矩變化情況

在靜力荷載工況下，對(duì)車站結(jié)構(gòu)與周圍土體分別施加了自重，并在土體頂面施加了頂部超載，從而模擬正常使用階段地面荷載對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)的影響。為進(jìn)一步探究不同隔震體系的設(shè)置對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，定義了各隔震體系的隔震效率計(jì)算公式：

式中 ηis代表體系的隔震效率；Mtr代表傳統(tǒng)車站結(jié)構(gòu)的彎矩幅值；Mis代表隔震車站結(jié)構(gòu)的彎矩幅值。

隔震效率ηis越大，說(shuō)明基巖波通過(guò)隔震體系傳遞的振動(dòng)越小，隔震效果也越好；如果ηis=0，則表明干擾全部被傳遞，該體系沒(méi)有起到隔震效果。由此可得車站結(jié)構(gòu)中柱各點(diǎn)的隔震效率如表2所示。

在傳統(tǒng)車站結(jié)構(gòu)中，頂板倒角處的彎矩值明顯小于底板倒角處。滑移隔震支座的使用改變了車站的整體受力情況，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置隔震支座的地下結(jié)構(gòu)頂?shù)装宓菇翘幍膹澗芈杂性龃?，?cè)墻處的彎矩幅值也有略微提升，這是因?yàn)椴捎脧椥曰浦ё蟠蟠笙魅趿塑囌窘Y(jié)構(gòu)柱子與主體結(jié)構(gòu)之間的連接強(qiáng)度，降低了結(jié)構(gòu)中柱參與整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)移的能力，同時(shí)使得車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻受中柱的約束也大大降低，從而使得頂、底板在荷載作用下更容易產(chǎn)生彎曲變形。在地震荷載作用下，由于受力體系發(fā)生了改變，幾種不同結(jié)構(gòu)的彎矩幅值差距被進(jìn)一步放大。與兩層柱頂隔震車站相比，采用中板滑移的隔震形式的車站結(jié)構(gòu)在底板及側(cè)墻下部倒角處的彎矩幅值略有增大，但總體增大的幅度有限，這是因?yàn)閺椥曰浦ё哂幸欢ǖ淖苑€(wěn)定性，滑動(dòng)面之間存在著摩擦作用；同時(shí)本研究選用的地鐵車站為南京地區(qū)某實(shí)際車站結(jié)構(gòu)，在施工時(shí)側(cè)墻兩側(cè)設(shè)置了地下連續(xù)墻，疊合墻的采用在一定程度上也加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度?？紤]到車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能的正常使用，建議在工程施工中加強(qiáng)對(duì)采用隔震支座車站結(jié)構(gòu)底部位置的配筋，以進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

2.3.2 結(jié)構(gòu)中柱彎矩變化情況

由于地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面為左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此在靜力作用下中柱的彎矩很小。表3給出了Kobe波作用下中柱的隔震效率情況。從整體上看，隔震體系的采用明顯減小了結(jié)構(gòu)中柱處的彎矩幅值。由于彈性滑移支座是一種水平剛度較小而豎向剛度較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可承受大的水平變形，在地震荷載作用下能較好地保護(hù)中柱。因此在兩層柱頂隔震的結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)中柱的動(dòng)彎矩峰值較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)的計(jì)算結(jié)果明顯減小，該位置的混凝土也得到了較好的保護(hù)，隔震效率最高可達(dá)64.83%。與兩層柱頂隔震結(jié)構(gòu)相比，中板滑移式隔震體系底層中柱彎矩減小幅度明顯，而頂層彎矩減小有限，這是由中板滑移式車站的結(jié)構(gòu)特性所決定的。在該體系中，中板與結(jié)構(gòu)主體的連接全部依附于柱頂，形成一個(gè)“鐘擺式”的滑移體系，負(fù)責(zé)承擔(dān)受力的頂層中柱不可避免地出現(xiàn)一定的損傷。在底層中柱方面，由于該工況中同時(shí)打開(kāi)了中板與側(cè)墻、中柱與縱梁間的連接，下層中柱頂部的彎矩峰值有顯著的減小，受到牽拉作用影響，中柱底部的應(yīng)力集中情況也得到減輕，因而在保護(hù)中板的同時(shí)，結(jié)構(gòu)底層中柱仍具有60%左右的隔震效率。中柱彎矩變化情況與混凝土損傷情況完全對(duì)應(yīng)。

根據(jù)上述分析結(jié)果，建議在強(qiáng)震作用下優(yōu)先采用隔震結(jié)構(gòu)來(lái)提高地下結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，考慮到地鐵車站結(jié)構(gòu)的中板直接搭接了人類活動(dòng)的平臺(tái)，基于結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要求較高的條件下優(yōu)先采用中板滑移式隔震體系。

2.3.3 中柱軸力反應(yīng)時(shí)程

圖5給出了Kobe波輸入峰值加速度PBA=0.3g及0.5g工況下，地鐵地下車站主體結(jié)構(gòu)中柱頂?shù)锥岁P(guān)鍵結(jié)點(diǎn)處的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程曲線。由圖5可知，在傳統(tǒng)完全約束結(jié)構(gòu)中，當(dāng)峰值加速度從0.3g增大到0.5g時(shí)，中柱所受的軸力迅速增加。隔震支座的使用改變了車站的框架式結(jié)構(gòu)體系，中柱不再與主體結(jié)構(gòu)澆筑到一起，而是與支座搭接，形成了一個(gè)柔性的隔震體系，因此采用隔震支座的車站結(jié)構(gòu)受到的軸力值略大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

隨著地震荷載的增大，兩種隔震體系逐漸開(kāi)始發(fā)揮作用，使得隔震車站結(jié)構(gòu)中柱處軸力變化幅度不大，始終保持在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，這表明彈性滑移支座具有較好的適用性，在大震荷載作用下能有效保護(hù)中柱不受損傷。與兩層柱頂隔震結(jié)構(gòu)相比，中板滑移體系的上層中柱軸力值變化不大，下層軸力值顯著減小，尤其是在峰值加速度PBA=0.5g時(shí)，下層中柱的軸力值明顯小于兩層柱頂隔震結(jié)構(gòu)，從而延長(zhǎng)了下層中柱的使用壽命，提高了車站結(jié)構(gòu)的整體抗震水平。

2.4 板端疊合橡膠變形情況

為了反映中板滑移式隔震體系的側(cè)向變形自恢復(fù)能力，本文提取了中板端部橡膠墊層的應(yīng)力反應(yīng)時(shí)程。從圖6中可以看出，在PBA=0.3g的Kobe波、什邡八角波作用下，疊合橡膠與側(cè)墻接觸面處的應(yīng)力圍繞240 kPa，130 kPa上下波動(dòng)，其他工況也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這表明橡膠墊層具有較好的彈性、扯斷強(qiáng)度及延展性，在外力作用存在一定的回滯性。在地震荷載的作用下，疊合橡膠?中板隔震體系擁有較好的變形協(xié)調(diào)性，使得結(jié)構(gòu)中板具有較好的震后自復(fù)位能力。與圖3中混凝土損傷對(duì)比分析可知，中板滑移式隔震體系打開(kāi)了中板與側(cè)墻間的剛性約束，在地震荷載的作用下，超彈性的橡膠材料將會(huì)發(fā)生相對(duì)變形，從而減少了板端所受內(nèi)力，最終減輕了中板兩側(cè)混凝土的損傷。

若依據(jù)《建筑隔震橡膠支座JG 118—2000》［22］規(guī)范可知，支座體系中橡膠的極限壓應(yīng)力不應(yīng)小于90 MPa，極限拉應(yīng)力不應(yīng)小于1.5 MPa。由圖6可知，在地震作用下，橡膠墊層的拉、壓應(yīng)力均小于0.6 MPa，疊合橡膠尚未到達(dá)材料的屈服強(qiáng)度，僅發(fā)生輕微的彈性變形，橡膠構(gòu)件并未發(fā)生塑性破壞，中板滑移式體系仍具有較高的安全系數(shù)。

3 結(jié) 論

針對(duì)地下結(jié)構(gòu)的中柱、中板是其抗震的薄弱環(huán)節(jié)，本研究提出在中板端部及底層中柱設(shè)置隔震支座體系，建立了土?地下車站結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力相互作用的有限元分析模型。同時(shí)，為了說(shuō)明部分傳統(tǒng)綁定車站結(jié)構(gòu)與柱頂隔震結(jié)構(gòu)整體抗震性能存在的差異，分別建立了三種不同的整體時(shí)域分析模型，考慮不同輸入地震動(dòng)特性和不同峰值加速度，研究了中板滑移式地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，具體結(jié)論如下：

（1）在中板端部及底層中柱設(shè)置隔震支座的結(jié)構(gòu)與僅在兩層柱頂設(shè)置彈性滑移隔震支座的結(jié)構(gòu)均能有效降低車站結(jié)構(gòu)中柱的地震損傷，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，盡管在中板板端設(shè)置彈性滑移隔震支座降低了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，但對(duì)結(jié)構(gòu)的中板和中柱均起到了較好的保護(hù)作用，混凝土的地震損傷范圍更小，程度也較輕，因此對(duì)抗震性能的提高更為有效。

（2）就中板兩端疊合橡膠的變形情況而言，隨著地震荷載的逐步加大，車站結(jié)構(gòu)中板兩側(cè)的疊合橡膠仍處于材料彈塑性范圍內(nèi)。在地震荷載作用下，橡膠墊層的拉、壓應(yīng)力均小于0.6 MPa，尚未到達(dá)橡膠材料的屈服強(qiáng)度，使得結(jié)構(gòu)中板具有較好的震后自復(fù)位能力。

（3）值得注意的是，中板板端設(shè)置彈性滑移隔震支座的結(jié)構(gòu)由于整個(gè)中板依靠上層中柱與結(jié)構(gòu)相連，因此在地震過(guò)程中上層柱頂難免會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力。本文計(jì)算峰值加速度為0.5g地震動(dòng)時(shí)，上層柱頂僅出現(xiàn)輕微受拉損傷，但仍應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行抗震加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

（4）對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相對(duì)層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素，而在隔震結(jié)構(gòu)中，由于采用了新的結(jié)構(gòu)形式，盡管相對(duì)層間位移角較大，但結(jié)構(gòu)的整體損傷卻明顯降低。通過(guò)對(duì)體系隔震效率ηis的計(jì)算可知，在采用隔震體系后車站中柱處的內(nèi)力幅值得到顯著減小，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能明顯有利，因此對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估方面需要采用新的方法。

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Comparative analysis on seismic performance of two-story subway underground station structures with different isolating systems

ZHUANG Hai-yang ?LI ShengWANG WeiCHEN Guo-xing

Institute of Geotechnical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China

Abstract In view of the weak seismic components of subway underground station structure， the seismic response characteristics of the traditional station structure， the station structure with the elastic sliding bearing setting at the top of the middle columns on the top and ground floor， and the proposed station structure with the elastic sliding bearing setting at the edge of the middle plate and the middle columns on the ground floor are studied. A 2D global time-domain finite element analysis model is built for the nonlinear statically and dynamically coupled soil-main structure interaction. The influence rules of the interlayer displacement， angle， seismic damage and dynamic force response of the main structure of the station are compared and analyzed when different isolating systems are adopted. The results show that， compared with the traditional station structure， the station structure with the elastic sliding bearing setting at the top of the middle columns suffers less damage in earthquake and has better seismic performance. The station structure with the elastic sliding bearing setting at the edge of the middle plate and the middle columns on the ground floor proposed in this paper can ensure that the middle columns of the station structure are not severely damaged and can be replaced quickly after the earthquake， which can improve the overall seismic performance of the subway station structure and the rapid recovery ability of the structural function after the earthquake.

Keywords isolation bearing; seismic performance; subway underground station structure; earthquake damage; numerical modelling