大跨度無柱車站抗震措施分析研究

任一恒

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州）

前言

地下車站作為一種復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，面臨著地震等多種自然災(zāi)害的威脅。結(jié)構(gòu)形式對地下車站的抗震性能具有非常重要的影響。首先，地下車站的結(jié)構(gòu)形式直接決定了其抗震能力。不同的結(jié)構(gòu)形式具有不同的剛度和耗能能力，而這些性能直接關(guān)系到車站在地震發(fā)生時的受力性能。例如，拱形結(jié)構(gòu)相較于框架結(jié)構(gòu)可以更好地吸收地震產(chǎn)生的側(cè)向位移，從而減少地震損傷，而一般框架車站的側(cè)向剛度相對較低，容易發(fā)生側(cè)向變形和倒塌。因此，在地下車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)不同的地震區(qū)域和地質(zhì)條件，選用合適的結(jié)構(gòu)形式，以保證車站的抗震能力。

在地下車站的結(jié)構(gòu)形式抗震措施的研究過程中，專家及學(xué)者都針對地下車站的抗震性能做了很多研究，并得出拱形結(jié)構(gòu)截面有助于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能的結(jié)論。賈聿頡[1]等人提出，受車站異形結(jié)構(gòu)的影響，主體結(jié)構(gòu)的變形和受力均產(chǎn)生了一定程度上向結(jié)構(gòu)外延長端轉(zhuǎn)移的趨勢；楊善統(tǒng)[2]提出，大跨度無柱車站的內(nèi)力整體上都要明顯大于相同斷面形狀的常規(guī)有柱車站。該研究結(jié)論可為無柱大跨度地鐵車站的抗震設(shè)計提供了有益的參考；劉庭金[3]指出，頂板變截面式與預(yù)制裝配式拱形結(jié)構(gòu)分別為目前矩形和拱形大跨度無柱地鐵車站結(jié)構(gòu)型式中的最優(yōu)選項。

綜上所述，無柱拱形地下車站或異形地下車站，在抗震作用下具有以下劣勢：在地震荷載作用下容易產(chǎn)生局部集中荷載，可能導(dǎo)致局部的破壞或者倒塌。相對而言，一般框架車站的側(cè)向剛度相對較低，面內(nèi)受力特性好，結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)受力均勻，站廳層的結(jié)構(gòu)柱能夠有效地分散地震作用力，減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1 模型建立與條件假設(shè)

1.1 數(shù)值模擬軟件選取

三維分析軟件是土木工程等領(lǐng)域常用的有限元分析軟件，可以處理各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型，如非線性分析、動力分析等，可以模擬地震等多種工況；同時可模擬各種不同材料的特性，如鋼材、混凝土、土壤等；以及靜力分析、動力分析等多種分析方法，可以滿足各種抗震需求；三維分析軟件的后處理功能非常強(qiáng)大，可以對分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理，如生成各種圖表、動畫等，方便用戶分析和理解分析結(jié)果。

本次研究采用時程法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計算，時程法是一種常用的結(jié)構(gòu)抗震計算方法，也稱作“地震時程分析”或“地震動力分析”。它以地震作用的時程作為荷載，通過數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)，來分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，并利用數(shù)值分析方法求解結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)，包括加速度、速度、位移等動態(tài)響應(yīng)參數(shù)。通過對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，可以評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性和可靠性，以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和加固措施的優(yōu)化。與傳統(tǒng)的靜力分析方法相比，時程法能夠更加全面、準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)特性，尤其對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)的抗震分析更加適用。

1.2 工程項目概況

本文依托深圳地鐵3 號線坪地六聯(lián)站工程，坪地六聯(lián)站為深圳市城市軌道交通3 號線四期工程項目自南向北的第7 座車站，為終點(diǎn)站。車站為地下雙側(cè)式2 層雙跨車站，局部為負(fù)一層無柱，無柱段結(jié)構(gòu)凈距為22 m，車站頂板覆土約為3.7 m 左右，車站平面布置情況如圖1 所示。對于淺埋地下工程結(jié)構(gòu)而言，一般在使用階段下受到外載作用最大。針對近期使用和遠(yuǎn)期使用階段，采用SAP84 分別計算分析車站主體結(jié)構(gòu)的受力特性。

圖1 3 號線坪地六聯(lián)站平面

主體結(jié)構(gòu)計算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用荷載－結(jié)構(gòu)模型，通過SAP84 結(jié)構(gòu)分析通用程序進(jìn)行內(nèi)力分析。遠(yuǎn)期使用階段采用水土分算的原則確定水土壓力。

按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計算，荷載組合效應(yīng)取“基本組合”，即永久荷載組合系數(shù)為1.35，可變荷載為1.5。

按照原車站結(jié)構(gòu)設(shè)計建立坪地六聯(lián)站三維模型，從小里程到大里程為站廳層公共區(qū)無柱，設(shè)備區(qū)或單柱雙跨或雙柱三跨結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。由于車站結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不宜再采用平面模型進(jìn)行分析，需要建立三維空間模型，真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)。

運(yùn)用時程分析方法，建立“地層-結(jié)構(gòu)”模型，把地震運(yùn)動視為一個隨時間變化的過程，并將地下結(jié)構(gòu)物和周圍土體介質(zhì)視為共同受力變形的整體，通過直接輸入地震加速度記錄，在滿足變形協(xié)調(diào)的前提下分別計算結(jié)構(gòu)物和土體介質(zhì)在各個時刻的位移，速度，加速度以及應(yīng)變和內(nèi)力，據(jù)以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計。

本章針對坪地六聯(lián)站，使用軟件進(jìn)行三維建模，采用時程分析法計算獲得結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震下的變形及內(nèi)力。根據(jù)計算分析需要，模型的尺寸X*Y*Z=650 m*220 m*28 m，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)340 908個，單元數(shù)306 542 個，如圖2、圖3 所示。模型中，土體采用六面體單元模擬，車站主體結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，車站梁、柱采用梁單元模擬，維護(hù)鉆孔灌注樁等效為地連墻采用板單元進(jìn)行模擬。

圖2 車站周邊土層模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖3 車站模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

1.3 條件假設(shè)

本文為簡化模型及減少計算量，對模型的建立及分析提出以下假定：

（1）模型初始地應(yīng)力平衡只考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；

（2）依據(jù)地質(zhì)勘測資料，近似認(rèn)為地面為平面，忽略地形起伏的影響；

（3）地下水位位于場坪標(biāo)高1 m 以下，土體加權(quán)容重按飽和土計算。

根據(jù)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 51336-2018）規(guī)定，對于以下結(jié)構(gòu)除應(yīng)進(jìn)行水平地震作用計算外，尚宜考慮豎向地震作用：

（1）結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、體形不規(guī)則以及結(jié)構(gòu)斷面變化大、結(jié)構(gòu)斷面顯著不對稱的地下單體結(jié)構(gòu)；

（2）大跨度結(jié)構(gòu)或淺埋大斷面結(jié)構(gòu)；

（3）在結(jié)構(gòu)頂板、樓板上開有較大孔洞，形成大跨懸臂構(gòu)件；

（4）豎向地震作用效應(yīng)很重要的其他結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)抗震模擬計算

2.1 車站抗震計算輸入條件

根據(jù)動力時程分析中結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的分布規(guī)律，選擇車站主體結(jié)構(gòu)上3 個橫斷面進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果考察，截面a 為站廳層無柱小跨度斷面，截面b 為站廳層雙柱三跨斷面，截面c 為站廳層帶外掛通道斷面。

坪地六聯(lián)站存在斷面變化大以及大跨度斷面的情況，應(yīng)計算豎向地震作用，因此擬定3 組地震波均分別以沿Z 軸、Z 軸與Y 軸為同時施加地震作用，共6 個工況（見圖4～圖6）。

圖4 荷載工況1

圖5 荷載工況2

圖6 荷載工況3

2.2 各工況下抗震結(jié)果計算研究

2.2.1 結(jié)構(gòu)水平位移最大值

在工況1 至工況3 中，即結(jié)構(gòu)在Z 方向地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)Z 方向相對基巖水平位移最大值分別為11.89 mm、12.91 mm、12.39 mm。水平位移最大值位置發(fā)生在坪地六聯(lián)車站站廳層大跨區(qū)頂板上，同時頂?shù)装寰哂邢喾捶较虻倪\(yùn)動。

2.2.2 斷面層間位移角

考察地震荷載1～3 作用下，斷面a、b、c 中頂、底板位移差的時程曲線，結(jié)果如下：在Z 方向地震作用下，斷面a～斷面c 最大層間位移差為8.11 mm，層間位移角最大值為1/1887 層間位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各個工況車站主體結(jié)構(gòu)各橫斷面的頂板與底板層間位移差和位移角統(tǒng)計值可知，斷面a～斷面c 最大層間位移差為8.42 mm，層間位移角最大值為1/1818，層間位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各個工況車站主體結(jié)構(gòu)樓板最大豎向撓度統(tǒng)計值可知，坪地六聯(lián)站最大豎向位移出現(xiàn)在站廳層大跨斷面頂板處，短向跨度為22 m，最大豎向位移為29.2 mm，撓度最大值為1/752，撓度均小于限值。

2.2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

研究發(fā)現(xiàn)，在Z 向地震動作用和Z、Y 雙向地震動作用下，結(jié)構(gòu)的彎矩都沒有發(fā)生明顯的突變。針對結(jié)構(gòu)3 個斷面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面彎矩提取，給出了工況1～6同樣位置點(diǎn)處的彎矩，綜合3 個斷面的統(tǒng)計結(jié)果見表1～表3。

表1 斷面a 關(guān)鍵位置彎矩統(tǒng)計（單位：kN·m）

表2 斷面b 關(guān)鍵位置彎矩統(tǒng)計（單位：kN·m）

表3 斷面c 關(guān)鍵位置彎矩統(tǒng)計（單位：kN·m）

2.2.4 結(jié)果小結(jié)

Z 方向地震動作用下，坪地六聯(lián)站結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.11 mm和1/1887；Z、Y 雙向地震動作用下，結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.42 mm 和1/1818，層間位移角遠(yuǎn)小于1/550。

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，相同的地震作用下，雙柱三跨截面的最大彎矩為694 kN·m，而大跨度無柱車站彎矩為2 350 kN·m，且雙柱三跨車站的層間位移為6.71 mm，而無柱車站位移為8.11 mm。這表明，在地震作用下，無柱大跨度截面范圍結(jié)構(gòu)受力更大，且其層間位移也更大。由結(jié)果可知，在地震作用下，雙柱三跨車站，其兩個柱子可以共同承擔(dān)地震荷載，而柱子之間的連梁可以協(xié)同工作，從而形成一種“框架”的結(jié)構(gòu)體系，增強(qiáng)了車站的整體穩(wěn)定性。但是，在車站的橫向地震作用下，柱子的抗震性能不如墻體，這可能是雙柱三跨斷面彎矩較小的原因之一。相比之下，無柱大跨度車站更偏重功能性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其采用了懸挑式結(jié)構(gòu)，通過大跨度的無柱站廳層和外掛支撐體系將地震荷載分散到整個車站結(jié)構(gòu)中，提高了車站的整體抗震能力。但是，由于該結(jié)構(gòu)缺乏柱子的支撐，在地震作用下可能會出現(xiàn)較大的位移。

總之，二者在地震作用下的表現(xiàn)及其原因與其結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，需要綜合考慮各種因素，以制定合理的抗震設(shè)計方案，以確保地下車站在地震作用下的安全可靠性。異形結(jié)構(gòu)地下車站的頂板采用拱形或者負(fù)一層設(shè)置外掛通道，可以使車站的整體結(jié)構(gòu)更加牢固穩(wěn)定，具有更好的抗震性能。拱形頂板的曲率半徑比較大，可以分散地震作用下的應(yīng)力，減少車站結(jié)構(gòu)的變形和破壞。同時，外掛通道可以分擔(dān)地震作用下車站結(jié)構(gòu)的受力，進(jìn)一步增強(qiáng)車站的抗震能力。