黃滿斌

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院

地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計簡述

黃滿斌

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院

軌道交通是城市交通運輸體系中重要組成部分，但目前對地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究遠遠不夠。本文通過對地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計案例進行分析，發(fā)現(xiàn)在地震作用下標準車站二維計算是比較常用的，僅有部分建筑面積超過1萬平方米的車站采用三維計算。通過歸納，在地震作用下車站中柱的內(nèi)力大于在靜力荷載作用下的內(nèi)力，在地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中應(yīng)該對中柱的抗震設(shè)計應(yīng)該采取構(gòu)造加強措施。

地鐵車站；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震計算

一、地鐵車站震害機理分析

地鐵車站的震害形態(tài)多樣，其差異性與地震的強度﹑震源深度﹑地震波的動力特性﹑地質(zhì)條件﹑車站周圍土體介質(zhì)﹑車站結(jié)構(gòu)以及地震力的作用條件都具有很大的相關(guān)性，除此之外，地鐵車站的震害形態(tài)還與施工方法有著密切關(guān)系。地鐵車站結(jié)構(gòu)地震時破壞主要原因是受地震主要效應(yīng)及次要效應(yīng)所造成的。此效應(yīng)主要包含兩個方面：

二、實例

結(jié)合地勘資料，地震波特性，分析出模型的位移角及內(nèi)力，分析中柱抗震及具體措施：

1﹑工程概況。某地鐵車站主體結(jié)構(gòu)采用地下兩層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)。地面標高取3.25m，結(jié)構(gòu)頂板上表面標高0.25m，覆土厚度取為3.0m。結(jié)構(gòu)總高度13.38m，抗浮水位標高2.15m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度﹑設(shè)計基本地震加速度值為0.10g﹑設(shè)計地震分組為第一組。50年超越概率10%所對應(yīng)的地面平均峰值加速度為0.0996g，場地類別為Ⅲ類，E2地震作用下的抗震性能驗算采用反應(yīng)位移法計算，E3地震作用下結(jié)構(gòu)的變形性能采用非線性時程分析法計算。

2﹑反應(yīng)位移法抗震計算。本站覆蓋層厚度小于70m，結(jié)構(gòu)有效高度13.38m，底板埋深約16.38m，取本站基準面埋深H=45m，某站場地深45m深處的地層波速滿足大于500m·s-1的要求。對頂板﹑左側(cè)墻﹑右側(cè)墻以及底板計算其位移﹑深度﹑地表位移﹑相對位移與等效節(jié)點力等數(shù)據(jù)。計算結(jié)果如表所示。

3﹑非線性時程分析法抗震計算

(1)模型建立。取地下結(jié)構(gòu)和土層的典型斷面，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體的幾何形狀﹑荷載和受力特征，將實際的三維空間問題簡化為二維平面應(yīng)變問題，按各向均質(zhì)﹑各向同性粘彈性體考慮，采用GTS NX建立分層半無限空間模型，土層采用平面應(yīng)變單元﹑結(jié)構(gòu)采用梁單元。動力荷載作用下，模型各層之間假定不發(fā)生脫離和相對滑動，界面滿足層間位移相互協(xié)調(diào)性。土層單元的尺寸為1m×1m，計算模型底面采用固定邊界，側(cè)面采用粘彈性人工邊界。模型底面取至強分化巖層面，頂面取地表面，側(cè)面邊界到結(jié)構(gòu)的距離取結(jié)構(gòu)水平寬度的3倍。計算模型同時考慮自重﹑地面超載和地震作用，在抗震分析的工況前添加自重作用下的靜力分析工況，計算模型在靜力計算獲得應(yīng)力場后，進行動力計算，同時進行荷載組合。

(2)特征值分析。通過特征值分析計算前兩階振型的自振頻率。特征值分析時不施加任何阻尼(包括邊界阻尼)及荷載，只有底面的固定邊界，然后對特征值進行分析，確定其自振周期與自振頻率。根據(jù)結(jié)果可知，第1階和第9階振型的水平方向有效質(zhì)量比例最高，分別達到63.48%和6.75%，故取這兩階振型的自振頻率，該兩階振型的自振周期分別為0.3959s和0.8694s；土體阻尼比按常量0.05考慮。計算得出特征值如下：

(3)非線性時程分析結(jié)果。每組地震波截取0-25s這一段的加速度時程曲線進行計算，時程分析持續(xù)時間設(shè)置為25s，時間增量設(shè)置為0.02s，中間值輸出時間間隔設(shè)置為1s。使用振型阻尼進行計算，輸入第1階和第9階振型的周期和阻尼比，阻尼比按照0.05考慮，在進行計算前，需對測點進行預(yù)先設(shè)置。

第一組地震波作用下，負一層最大層間相對位移為9.674mm，對應(yīng)最大層間位移角為1.12×10-3；負二層最大層間相對位移為8.045mm，對應(yīng)最大層間位移角為1.278×10-3，時間點為地震波作用第16s。三組地震波作用下結(jié)構(gòu)斷面主要發(fā)生剪切變形，車站結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于規(guī)范限值4×10-3，滿足抗震規(guī)范要求的彈性限值及彈塑性限值。層間位移角匯總：

結(jié)語

通過對地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震工況的計算以及分析，同時結(jié)合車站的自身特點，認為反應(yīng)位移法和非線性時程分析比較適合不同埋深以及不同土層條件下的抗震設(shè)計。同時在一維土層地震反應(yīng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上得知在均勻土層下，位移法及非線性時程分析計算得出的結(jié)果表明抗震設(shè)計過程中應(yīng)該對中柱采取構(gòu)造加強措施。

[1]劉凌宇.典型地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中地震作用的影響淺析[D].中國地震局工程力學(xué)研究所，2014(10)：12-14.

[2]李新星，陳鴻，陳正杰.地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法的適用性研究[J].土木工程學(xué)報，2014(02)：323-325.