地下連續(xù)墻對無柱大跨地鐵車站地震反應(yīng)影響

許紫剛，李淳宇，夏宗堯

（1.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013 2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

地下結(jié)構(gòu)歷史震害表明，地鐵車站、隧道等地下結(jié)構(gòu)在地震作用下存在破壞的可能，甚至完全塌毀，例如1995 年日本阪神地震中大開地鐵車站的倒塌破壞[1]。過去針對地下結(jié)構(gòu)抗震性能開展的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究主要集中在單層或雙層的單柱雙跨或雙柱三跨的地下結(jié)構(gòu)[2]，主要發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)本身受到的慣性效應(yīng)不是地震作用下地下結(jié)構(gòu)受到的主要地震荷載，結(jié)構(gòu)兩側(cè)場地土體的水平剪切變形和結(jié)構(gòu)上覆土體的豎向慣性效應(yīng)是影響地下結(jié)構(gòu)抗震安全的重要因素[3]。同時(shí)認(rèn)為，中柱是地鐵地下車站結(jié)構(gòu)抗震薄弱環(huán)節(jié)[4]。

為了滿足車站建筑使用功能，在保證安全的前提下，地鐵工程建設(shè)領(lǐng)域開始探索取消中柱的設(shè)置，提出無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)體系。無柱大跨地鐵車站空間布局更靈活，且車站通透性更好，有利于客流通行。目前，有學(xué)者對無柱大跨地鐵車站的抗震性能進(jìn)行研究，討論了無柱地鐵車站的基本抗震性能及其抗震薄弱部位[5-6]。然而在目前關(guān)于無柱大跨地鐵車站抗震性能的研究中，通常沒有考慮地下連續(xù)墻的影響，簡單認(rèn)為地下連續(xù)墻是車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的安全儲備[7]。王雪劍等[8]通過數(shù)值分析探討了地下連續(xù)墻對某一雙層三跨地鐵車站抗震性能的影響?？紤]到無柱大跨地鐵車站與傳統(tǒng)車站在地震反應(yīng)和抗震薄弱環(huán)節(jié)等方面的差異，有必要探討地下連續(xù)墻對無柱大跨地鐵車站抗震性能的影響。

綜上所述，本文以實(shí)際無柱大跨地鐵車站為背景，分別建立了土-無柱大跨地鐵車站體系和土-地下連續(xù)墻-無柱大跨地鐵車站體系的整體動力時(shí)程分析有限元模型，系統(tǒng)研究了不同等級水平和豎向雙向地震作用下，地下連續(xù)墻對地鐵車站加速度、水平變形和地震損傷的影響。研究結(jié)果可為無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 模型概況

本研究選取某無柱大跨地鐵車站作為研究對象，車站總寬度20.7 m，總高度14 m。車站頂板厚1.1 m，側(cè)墻厚1.0 m，底板厚0.9 m，中板厚0.7 m。頂板與側(cè)墻連接處設(shè)有大腋角加腋處理。車站主體結(jié)構(gòu)尺寸及配筋如圖1 所示，配筋單位為mm。車站左右兩側(cè)設(shè)有0.8 m 厚，30 m 高的地連墻。車站頂板埋深為5 m，地表至基巖位置總厚度為80 m。

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)尺寸及配筋Fig.1 Size and reinforcement of the main station

1.2 材料參數(shù)及地震動參數(shù)

土-車站結(jié)構(gòu)整體動力分析有限元模型如圖2所示，同時(shí)，取車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)不設(shè)置地下連續(xù)墻的工況作為對照模型。模型場地總寬度150 m，大于車站結(jié)構(gòu)寬度的7 倍。場地土層一共分為9 層，土體的本構(gòu)模型采用莊海洋等[9]提出的黏塑性本構(gòu)模型，土體主要模型參數(shù)如表1 所示。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

在本數(shù)值模型中，車站結(jié)構(gòu)混凝土型號取為C50，地下連續(xù)墻混凝土型號取為C30，兩者內(nèi)部的鋼筋型號均選為HRB400。混凝土通過建立平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬，并采用ABAQUS 中的塑性損傷模型（CDP），該模型通過引入受拉損傷因子和受壓損傷因子來描述受拉和受壓后混凝土的剛度變化[10]。C50 和C30 型號混凝土的彈性模量分別取34.5 GPa 和30 GPa，峰值抗壓強(qiáng)度分別取32.4 MPa 和20.1 MPa，峰值抗拉強(qiáng)度分別取2.67 MPa 和2.03 MPa。鋼筋通過建立桁架單元進(jìn)行模擬，并采用理想彈塑性本構(gòu)模型，初始彈性模量取200 GPa，泊松比取0.3，屈服應(yīng)力為335 MPa。此外，土體也采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬。鋼筋通過嵌入的方式置于車站主體或地下連續(xù)墻中，數(shù)值計(jì)算過程中不考慮鋼筋和熱混凝土之間的滑移。

土體和車站結(jié)構(gòu)以及地下連續(xù)墻之間需要設(shè)置接觸，其中法向接觸均采用ABAQUS 中的“硬”接觸，允許兩者之間產(chǎn)生分離；切向接觸采用ABAQUS 中的罰函數(shù)模擬，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.4[11]。此外，對于設(shè)有地下連續(xù)墻的有限元模型，本模型將其考慮為疊合墻式結(jié)構(gòu)，即車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻與地下連續(xù)墻之間協(xié)同運(yùn)動，不產(chǎn)生相對位移，兩者之間設(shè)置綁定連接[8]。在圖2 所示的有限元模型中，地震動輸入采用振動輸入方法，場地頂部自由、底部固定、左右兩側(cè)施加粘彈性人工邊界條件，并考慮自由場效應(yīng)[12]。

本文選取文獻(xiàn)[8，13]中列舉的2 條加速度時(shí)程曲線，即EL Centro 地震動和Kobe 地震動作為輸入地震動，同時(shí)考慮場地地震安評情況，共選取3 條地震動，其加速度時(shí)程記錄如圖3 所示，輸入的地震動持續(xù)時(shí)間均截取為40 s。為考慮不同強(qiáng)度地震動的影響，分別將3 條地震動加速度記錄的峰值調(diào)整為0.05g，0.1g，0.2g，0.4g，g 為重力加速度。同時(shí)考慮水平和豎向雙向地震作用，豎向地震動加速峰值簡單考慮為水平向地震動加速度峰值的2/3。本研究開展的有限元分析主要包括兩個分析步，首先是采用靜力分析步，對模型施加重力荷載；其次是采用動力隱式分析步，對模型施加水平和豎向的雙向地震荷載。

圖3 輸入地震動加速度時(shí)程Fig.3 Acceleration time-history of input earthquake

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 車站結(jié)構(gòu)中心加速度

無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)的地下連續(xù)墻埋深一般較深，雙向地震作用下，場地-地下連續(xù)墻-車站結(jié)構(gòu)之間是一個復(fù)雜的相互作用體系。圖4 分別給出了不同地震動幅值情況下，結(jié)構(gòu)中心位置處的水平和豎向加速度反應(yīng)的峰值，同時(shí)與自由場工況下結(jié)構(gòu)中心位置對應(yīng)土體節(jié)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行對比。由圖4 可知，車站中心位置的加速度比對應(yīng)位置處自由場的加速度反應(yīng)都略大，而當(dāng)考慮地下連續(xù)墻時(shí)，車站中心位置的加速度比不考慮地下連續(xù)墻時(shí)要小。此時(shí)，地下連續(xù)墻可以起到減輕結(jié)構(gòu)水平慣性力的作用，然而，地下結(jié)構(gòu)水平慣性力并不是其所受的主要地震荷載。當(dāng)考慮地下連續(xù)墻時(shí)，車站中心處的豎向加速度比不考慮地下連續(xù)墻和自由場都要大。

圖4 結(jié)構(gòu)中心位置處加速度峰值Fig.4 Peak acceleration at the center of the structure

對于峰值0.4g 的EL Centro 地震動而言，有地連墻時(shí)的豎向加速度是無地連墻時(shí)的1.3 倍。由此可知，當(dāng)考慮地連墻時(shí)，結(jié)構(gòu)上覆土體的豎向慣性力也會呈現(xiàn)增大的趨勢，而根據(jù)杜修力等[3]的研究結(jié)果，淺埋地下結(jié)構(gòu)上覆土體豎向慣性力是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的重要影響因素。

2.2 車站結(jié)構(gòu)水平變形

車站結(jié)構(gòu)的水平變形是評價(jià)其抗震安全性能的重要指標(biāo)之一。圖5 給出了有無地下連續(xù)墻時(shí)地鐵車站頂?shù)装逑鄬ξ灰谱畲髸r(shí)刻所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)水位位移沿結(jié)構(gòu)高度的變化曲線。當(dāng)不考慮地下連續(xù)墻時(shí)，側(cè)墻的水平相對變形基本呈現(xiàn)S 形，這與王雪劍等[8]的研究結(jié)論一致。當(dāng)考慮地下連續(xù)墻時(shí)，由于本研究在車站側(cè)墻和地下連續(xù)墻之間設(shè)置了綁定約束，地震作用下，地下連續(xù)墻和側(cè)墻同步運(yùn)動地下連續(xù)墻加大了側(cè)墻的抗側(cè)剛度，使得側(cè)墻的水平相關(guān)變形基本呈現(xiàn)斜直線?？傮w上，考慮地下連續(xù)墻時(shí)，可有效提高車站結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度，車站頂?shù)装逯g的相對水平位移要比不考慮地下連續(xù)墻時(shí)小，并且這種減小趨勢隨著地震動峰值強(qiáng)度的提高而更加明顯。

圖5 車站側(cè)墻相對位移Fig.5 Relative displacement of the side wall

然而，需要說明的是，車站結(jié)構(gòu)上層和下層的層間位移角并不呈現(xiàn)統(tǒng)一的變化趨勢。圖6 給出了圖5 對應(yīng)時(shí)刻下車站結(jié)構(gòu)上層和下層的層間位移角對比情況。考慮地下連續(xù)墻時(shí)，車站結(jié)構(gòu)下層的層間位移角比不考慮地下連續(xù)墻要小很多，極大程度上保護(hù)了下層結(jié)構(gòu)的水平向抗震性能。但是，對于車站上層結(jié)構(gòu)而言，地下連續(xù)墻的存在反而使得層間位移角變大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與車站結(jié)構(gòu)所處的土層材料屬性有關(guān)。

圖6 Kobe 地震動作用下車站層間位移角Fig.6 Inter-storey displacement angle of the station under Kobe earthquake

2.3 車站結(jié)構(gòu)地震損傷

圖7 給出了有無地下連續(xù)墻時(shí)車站主體結(jié)構(gòu)的受拉損傷云圖，以進(jìn)一步解釋地下連續(xù)墻對無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響。受篇幅限制，本節(jié)以0.1g 和0.4g Kobe 地震動作用下結(jié)構(gòu)受拉損傷為例進(jìn)行說明，當(dāng)受拉損傷因子為0 時(shí)，表示該部分混凝土未出現(xiàn)拉損傷，處彈性工作狀態(tài)；當(dāng)受拉損傷因子為1 時(shí)，表示該部分混凝土已經(jīng)完全受拉開裂。由圖7 可以看出，當(dāng)不考慮地下連續(xù)墻時(shí)，側(cè)墻頂?shù)撞康氖芾瓝p傷較為嚴(yán)重，尤其是當(dāng)?shù)卣饎幼儚?qiáng)時(shí)，側(cè)墻底部破壞單元完全貫通，表明該，截面可能完全受拉破壞；當(dāng)考慮地下連續(xù)墻時(shí)，小震情況下側(cè)墻基本保持彈性工作狀態(tài)，即使提高地震動強(qiáng)度，側(cè)墻的受拉損傷區(qū)域也沒有顯著的改變。因此，地下連續(xù)墻可以有效地保護(hù)無柱大跨地鐵車站的側(cè)墻，使其基本保持在彈性工作狀態(tài)。

圖7 Kobe 地震動作用下車站受拉損傷Fig.7 Tensile damage of station under Kobe earthquake

然而，對比是否考慮地下連續(xù)墻時(shí)頂板和底板的損傷可以發(fā)現(xiàn)，考慮地下連續(xù)墻時(shí)，無柱大跨地鐵車站的抗震薄弱環(huán)節(jié)已經(jīng)從側(cè)墻頂?shù)撞哭D(zhuǎn)移至頂?shù)装宓亩瞬?，以底板的端部更為明顯。例如，0.4g Kobe 地震動作用下，有地下連續(xù)墻的地鐵車站底板左端出現(xiàn)完全受拉破壞。圖8 給出了車站底部左端部單元Mises 應(yīng)力時(shí)程曲線，考慮地下連續(xù)墻時(shí)底板左端部單元的Mises 應(yīng)力峰值約為不考慮地下連續(xù)墻時(shí)的1.3 倍。為進(jìn)一步分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，圖9 給出了不考慮地下連續(xù)墻時(shí)左側(cè)墻受到的土體摩擦力時(shí)程曲線，以及考慮地下連續(xù)墻時(shí)左側(cè)地下連續(xù)墻受到的土體摩擦力時(shí)程曲線，后者峰值約是前者峰值的1.5 倍。而地下連續(xù)墻所受的過大土體摩擦力會對車站底板或頂板產(chǎn)生受拉破壞。

圖8 車站底板左端部單元Mises 應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.8 Mises stress time-history curves of the element at left end of station bottom slab

圖9 土體摩擦力時(shí)程曲線Fig.9 Time-history curves of soil friction

總體來說，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為的地下連續(xù)墻的存在是地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的安全儲備這一理念并不完全正確。地下連續(xù)墻的存在會明顯放大無柱大跨地下地鐵車站的上覆土體豎向慣性效應(yīng)，盡管地下連續(xù)墻的存在可以提高車站結(jié)構(gòu)體系的水平抗側(cè)剛度，并有效保護(hù)側(cè)墻的抗震安全性能，但地下連續(xù)墻的存在會使得地震荷載作用下車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生重分布現(xiàn)象，車站結(jié)構(gòu)抗震薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移由側(cè)墻頂?shù)撞哭D(zhuǎn)移至頂?shù)装宓亩瞬?，對頂?shù)装宓氖芰Ξa(chǎn)生不利影響。因此，對于無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)在大震情況下要充分考慮地下連續(xù)墻的影響，必要時(shí)需要加強(qiáng)頂板和底板的端部以提高車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，例如在地下結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置彈性模量較低的減震層材料，以達(dá)到減輕地鐵車站主體結(jié)構(gòu)地震損傷的目的[14]。

3 結(jié)論

1）地下連續(xù)墻對無柱大跨地鐵車站水平加速度反應(yīng)無明顯影響，但會明顯放大無柱大跨地鐵車站上覆土體的豎向慣性效應(yīng)。

2）地下連續(xù)墻可提高無柱大跨地鐵車站體系的整體抗側(cè)剛度，考慮地下連續(xù)墻時(shí)車站側(cè)墻的總體水平相對變形降低。

3）地下連續(xù)墻的存在使得無柱大跨地鐵車站發(fā)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象，考慮地下連續(xù)墻時(shí)車站底板端部是抗震薄弱環(huán)節(jié)，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，例如在地鐵車站周邊設(shè)置減震層等。