李志波,薛尚鈴,周海鷹,余 超

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶400013)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，軌道交通地下車站也大量建設(shè)。地下工程結(jié)構(gòu)靜力荷載普遍較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往偏于保守，加上地震作用時(shí)有土體的約束作用，因此一般認(rèn)為地下工程結(jié)構(gòu)普遍具有優(yōu)于地面結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全度。目前地震區(qū)軌道交通地下車站結(jié)構(gòu)抗震主要依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。很多低烈度區(qū)的地下結(jié)構(gòu)甚至并不進(jìn)行地震計(jì)算，僅從構(gòu)造措施上進(jìn)行加強(qiáng)。

1995年阪神地震中，未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的神戶大開地鐵車站在地震中中柱垮塌造成地面塌陷；2008年汶川地震中，紫坪鋪重載公路的龍池隧道中部深埋部分中接縫拱起破壞，分析原因是由于沒(méi)有設(shè)置仰拱，結(jié)構(gòu)不封閉，使深埋隧道底部產(chǎn)生擠壓破壞。隨著人們對(duì)地震作用認(rèn)識(shí)的不斷加深，特別是地震工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，地下工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。2011年建設(shè)部發(fā)布了《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)(地下工程篇)》，對(duì)于建筑面積超過(guò)10 000 m2的城市軌道交通地下車站工程，明確要求進(jìn)行專門的抗震設(shè)防設(shè)計(jì)和論證，以確保地下車站的抗震性能滿足要求。

1 工程概況

重慶市軌道交通三號(hào)線北延伸段空港廣場(chǎng)車站為地下三層側(cè)式站臺(tái)車站。車站主體部分建筑面積為10 269 m2，采用三層二跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工。車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年；安全等級(jí)為一級(jí)；抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g，按7度采取抗震措施，地下結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)；車站結(jié)構(gòu)按6級(jí)人防設(shè)防；車站場(chǎng)地類別為Ⅲ類，為抗震一般地段。

車站結(jié)構(gòu)總寬度為23.35 m，總高度23.95 m，其中負(fù)一層高6.95 m，負(fù)二層高7.15 m，底層高9.85 m,頂板上覆土厚為3.513 m。頂板厚度800 mm，中板厚度400 mm，底板厚度1 000 mm，側(cè)墻厚度900 mm，中柱900 mm×1 200 mm間距8 m。車站結(jié)構(gòu)中柱混凝土采用C50，其余均采用C35混凝土。

空港廣場(chǎng)站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防目標(biāo)為：在多遇地震作用和設(shè)計(jì)地震作用下，結(jié)構(gòu)不破壞或輕微破壞，能保持正常使用功能，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，不會(huì)因結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致軌道的過(guò)大變形而影響行車安全；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)可能破壞，經(jīng)修補(bǔ)短期內(nèi)能恢復(fù)正常使用功能，允許結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入彈塑性工作階段。

空港廣場(chǎng)站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、地質(zhì)情況和荷載布置見圖1、圖2。

圖1 車站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及地層布置

圖2 車站計(jì)算斷面荷載布置

2 車站結(jié)構(gòu)抗震分析

空港廣場(chǎng)站為分布均勻、規(guī)則且具有對(duì)稱軸的縱向較長(zhǎng)的地下結(jié)構(gòu)，按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，可以采用等效靜力法(擬靜力法)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

抗震分析采用MIDAS/GEN Ver7.80程序，對(duì)車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面的內(nèi)力進(jìn)行平面二維分析計(jì)算。其地震作用工況荷載如圖3。

圖中慣性力：

F1=ηm1Ag/HF2=ηm2Ag/BPi=ηmiAg

圖3 地震等效靜力法圖示

式中：η為水平地震作用修正系數(shù)，巖石地基取值0.2，非巖石地基取值0.25;F1為側(cè)墻自重慣性力；F2為頂板覆土自重(包括地面超載)慣性力;Pi為作用在各層板處的慣性力;m1、m2分別為側(cè)墻、上覆土(等效)質(zhì)量;mi為各層板(含本層梁及上下各半層柱)自重(包括活載);Ag為地震動(dòng)峰值加速度;H、B為結(jié)構(gòu)高度、寬度。

經(jīng)計(jì)算：

F1=0.45；F2=1.4 ；P1=9.28；P2=4.98；P3=5.04；P4=11.5；△e=1.39～10.87

豎向基床系數(shù)取Kv=50×104kN/m3，水平向基床系數(shù)取Kh=12×104kN/m3。

荷載組合根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)(2006年版)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)、《軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范》(RFJ 02-2009)的規(guī)定及可能出現(xiàn)的最不利情況確定，組合類型如：永久荷載的組合、永久荷載+可變荷載組合、永久荷載+人防荷載組合、永久荷載+可變荷載+地震荷載組合。荷載組合系數(shù)見表1。

表1 荷載工況組合及分項(xiàng)系數(shù)表

注：當(dāng)永久荷載為有利荷載時(shí)，組合系數(shù)取1.0；當(dāng)可變荷載為有利荷載時(shí)，不計(jì)入荷載組合；恒載控制的基本組合可變荷載組合系數(shù)取0.7，準(zhǔn)永久組合可變荷載的準(zhǔn)永久組合系數(shù)取0.8。

在不同的荷載工況下，車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖4～圖12。

圖4 基本組合(彎矩)

圖5 人防組合(彎矩)

圖6 罕遇地震組合(彎矩)

圖7 基本組合(軸力)

圖8 人防組合(軸力)

圖9 罕遇地震組合(軸力)

圖10 基本組合(剪力)

圖11 人防組合(剪力)

圖12 罕遇地震組合(剪力)

圖13 罕遇地震組合(位移)

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間最大水平位移0.011 8 m，最大層間位移角為1/555，滿足設(shè)計(jì)變形要求(圖13)。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)正截面受彎承載力驗(yàn)算見表2。

表2 正截面受彎承載力驗(yàn)算

從計(jì)算結(jié)果可知，在罕遇地震作用下，構(gòu)斷面尚未達(dá)到最大承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍處在彈性工作狀態(tài)。由于地下車站兼具防空功能，人防級(jí)別較高，地震荷載并非最不利控制荷載，結(jié)構(gòu)的最不利工況組合為人防組合。

最不利工況下中柱軸壓比(中柱900 mm×1 200 mm，C50fc=23.1 N/mm2)：

2314×1000×8/(23.1×900×1200)=0.74<0.8,滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

空港廣場(chǎng)站在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)斷面尚未達(dá)到最大承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍處在彈性工作狀態(tài)。由于地下車站兼具防空功能，人防級(jí)別較高，結(jié)構(gòu)斷面也相對(duì)較大。在地震設(shè)防烈度較低的地區(qū)地震荷載往往并非最不利控制荷載，結(jié)構(gòu)的最不利工況組合為人防組合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)兩種工況組合進(jìn)行計(jì)算分析，確定結(jié)構(gòu)的最不利受力狀態(tài)。

[1] 莊海洋,程紹革,陳國(guó)興.阪神地震中大開地鐵車站震害機(jī)制數(shù)值仿真分析[J].巖土力學(xué)，2008,29(2):245-249

[2] 曹炳政,羅奇峰,馬碩,等.神戶大開地鐵車站的地震反應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，2002,22(4):102-107

[3] 劉如山,胡少卿,石宏彬.地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中擬靜力法的地震荷載施加方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007,29(2):237-242

[4] 李英民,王璐，劉陽(yáng)冰,等.地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算地基彈簧系數(shù)取值方法研究[J]. 地震工程與工程振動(dòng)，2012,32(1):106-113

[5] 宋林,孟昭博,吳敏哲,等.雙層島式地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析[J].世界地震工程，2010,26(2):187-192

[6] 任強(qiáng).基于ANSYS的某明挖車站抗震分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010,(11):334-335

[7] 莊海洋,陳國(guó)興,張菁莉.基于子結(jié)構(gòu)法的地鐵車站地震反應(yīng)分析[J].巖土力學(xué)，2005,26(增):227-231

[8] 呂稚知.地鐵車站抗震設(shè)計(jì)探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010,(2):284-285

[9] 孫超，薄景山，齊文浩，等.地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀及展望[J].世界地震工程，2009,25(2):94-99