周燦朗，龍喜安（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東　廣州510010）

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地鐵地下車站抗震性能分析方法

周燦朗，龍喜安
（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州510010）

摘要：以佛山地鐵三號線荔村站實際工程為背景，討論了反應(yīng)位移法和時程分析法兩種地下車站結(jié)構(gòu)抗震性能分析方法。反應(yīng)位移法以一維土層地震反應(yīng)計算為前提，以結(jié)構(gòu)周圍土體在地震作用下的變形值為基礎(chǔ)，建立了地鐵車站二維結(jié)構(gòu)模型，利用變形值計算出等效地震作用力，以靜荷載的形式加載于結(jié)構(gòu)模型中，并將地震響應(yīng)結(jié)果與靜力法計算結(jié)果進行了對比，總結(jié)了地鐵車站在地震作用下的內(nèi)力變化規(guī)律。時程分析法以動力有限元理論為基礎(chǔ)，從半無限空間選取有限土體，采用了粘彈性人工邊界，對選用的地震波記錄值進行了合理調(diào)整，采用了計算方便、節(jié)約內(nèi)存且其計算精度較高的瑞利振型阻尼，基于Midas GTS NX軟件，建立了結(jié)構(gòu)和周圍土層作為整體計算模型，通過模態(tài)分析求解了結(jié)構(gòu)體系各階的自振頻率和各階振型，模擬了地下結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動態(tài)特性，揭示了地鐵車站在地震作用下的位移時程反應(yīng)及變形規(guī)律；最終通過兩種抗震性能分析方法為地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；結(jié)構(gòu)抗震；反應(yīng)位移法；非線性時程分析法；Midas GTS NX

近年來，城市地鐵項目進行了大規(guī)模建設(shè)；由于地鐵受地震荷載作用下發(fā)生破壞的實例不多，在國內(nèi)基本上都沒有經(jīng)過大地震的考驗，地下結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生破壞的問題通常容易被忽視。但是在國外地鐵車站在大地震作用下遭到嚴重破壞的事實證明，地鐵抗震成為了我們必須引起重視的問題[1-2]，特別是在阪神地震中，大開站地鐵車站破壞最為嚴重，多數(shù)中柱和頂板坍塌，箱形結(jié)構(gòu)剛性拐點部位破壞嚴重。

研究和評價地下結(jié)構(gòu)抗震性能的合理途徑有實驗方法和理論分析方法，包括原位觀測、模型試驗和數(shù)值模擬三方面來實現(xiàn)[3]。原位觀測、模型試驗屬于試驗方法，數(shù)值模擬屬于理論分析方法?，F(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)抗震數(shù)值模擬方法可分為擬靜力與動力結(jié)構(gòu)抗震性能分析方法。靜力法是將隨時間變化的地震力用等代的靜地震荷載代替,然后再用靜力計算模型分析地震荷載，用靜力計算方法計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,其量值一般偏大于動力響應(yīng)分析值，這是一般地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時所采用的實用方法。通常所采用的擬靜力法以及各方法優(yōu)缺點和適應(yīng)范圍如表1[4-6]所示。

由于反應(yīng)位移法能夠充分考慮土體結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并且對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜地質(zhì)條件下結(jié)構(gòu)抗震可方便進行計算，特別適用于地下車站埋設(shè)結(jié)構(gòu)；因此本文擬靜力法中采用反應(yīng)位移法進行求解。

常用的動力分析方法包括反映譜法和時程分析法[4]。由于反應(yīng)譜分析法沒有考慮地震力持續(xù)時間的影響，其實質(zhì)屬于一種經(jīng)過修正的靜力分析法。動力時程分析法既能考慮結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下持續(xù)的時間過程，又能考慮結(jié)構(gòu)材料的線性和非線性性質(zhì)，在動力作用條件下，能使較為準確地表現(xiàn)出車站結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形情況和強度變化情況，基于以上優(yōu)點，動力反應(yīng)分析方法采用時程分析方法進行分析。

1 反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法[7]以一維土層地震反應(yīng)分析計算得到的土層相對位移為基礎(chǔ)，利用地下結(jié)構(gòu)周圍土層在地震時的變形值計算出力的大小，以靜荷載的形式作用在結(jié)構(gòu)上，以此來計算地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法。地下結(jié)構(gòu)周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，彈簧剛度以地基反力系數(shù)為依據(jù)進行計算，車站結(jié)構(gòu)采用梁單元進行模擬。該方法主要是進行土層相對位移與等效荷載計算、彈簧剛度與慣性力計算、以及模型的建立等。

表1 擬靜力計算方法優(yōu)缺點及適應(yīng)范圍Tab.1 The relative merits and the range of pseudo-static method

1.1 土層相對位移與等效荷載計算

根據(jù)規(guī)范[8]可知，地震時土層沿深度方向位移可按式（1）來計算確定

式中：u（z）為土層密度地震時深度z處土層的水平位移；umax為場地地表最大位移；H為地面至地震作用基準面的距離。

在反應(yīng)位移法中需將地下結(jié)構(gòu)周圍自由土層在地震作用下的最大位移（可取相對變形，相應(yīng)于結(jié)構(gòu)底面深度的位移為零）施加于結(jié)構(gòu)兩側(cè)面壓縮彈簧及上部剪切彈簧遠離結(jié)構(gòu)的端部。由于在有限元軟件中要實現(xiàn)在彈簧遠離結(jié)構(gòu)的一端施加強制位移較為困難，因此，可將強制位移按下式轉(zhuǎn)換為直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)壁和頂板上的等效荷載。

圖1 反應(yīng)位移法抗震計算簡圖Fig.1 The diagram of response displacement method for seismic calculation

式中：p（z）為直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)壁上的等效荷載；p（zv）為直接施加在結(jié)構(gòu)頂板的等效荷載；u（z），u（zB），u （zu）分別為距地表面深度z處、地下結(jié)構(gòu)底板zB處和頂板zu處土層位移；kn，ksv分別對應(yīng)側(cè)壁與結(jié)構(gòu)頂板處的彈簧剛度系數(shù)。

1.2 彈簧剛度與慣性力計算

反應(yīng)位移法計算模型中，結(jié)構(gòu)周圍土體采用地基彈簧表示，包括壓縮彈簧和剪切彈簧；地基彈簧剛度可按照如下公式進行計算：

式中：kv為豎向壓縮地基彈簧剛度；ksv為豎向剪切地基彈簧剛度；kh為橫向壓縮地基彈簧剛度；ksv為橫向剪切地基彈簧剛度；Kh為水平基床系數(shù)；KV為豎向基床系數(shù)；l為地基的集中彈簧間距；d為土層沿隧道與地下車站縱向的計算長度。

2 非線性動力時程分析法

非線性動力時程分析方法是對整個地震動在時間域先進行離散化，然后再依次對每個離散化后的時間點逐步計算，以求得整個數(shù)值模型的動力時程反應(yīng)。該方法作為一種可靠的分析手段適用于深入研究地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震理論中，它將結(jié)構(gòu)和周圍土層作為一個整體加以分析,考慮了土體與結(jié)構(gòu)動力相互作用，用于模擬地下結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動態(tài)特性，能夠計算地震反應(yīng)過程中各時刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)。該方法重點是需要進行人工邊界條件設(shè)置、地震波選取與合理調(diào)整、阻尼理論與模態(tài)分析、模型建立與求解。

2.1 地震作用下動力有限元理論動力有限元中先將結(jié)構(gòu)進行離散化，具備n個自由度的整個結(jié)構(gòu)離散系統(tǒng)在地震荷載作用下任一時刻的動力平衡方程為：

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，從震源釋放的部分能量以波的形式向四周傳播而形成地震波，它可以分為縱波、橫波和面波。橫波和面波到達時地面振動最強烈，一般認為地震在地表面引起的破壞主要來自橫波和面波的傳播。因此進行動力分析時，為簡單起見，一般僅考慮由基巖發(fā)生的橫波沿土層向上傳播的作用。

地震作用輸入采用振動法，即假定設(shè)計地震作用基準面（基巖）上各點的地震加速度在同一時刻是相同的（設(shè)為）。令為計算區(qū)域各點相對基巖的相對加速度，則運動方程變?yōu)闉?/p>

運動方程等號右側(cè)的地震慣性力作用在土體和結(jié)構(gòu)上，模擬地震作用。地震加速度+ug（t +）通過地震加速度時程曲線進行輸入。由于結(jié)構(gòu)體系在動力反應(yīng)作用下，其受力為非線性狀態(tài)，故動力平衡方程求解中，采用逐步積分法進行求解。

2.2 地震波作用下阻尼理論

地震波荷載作用下，阻尼能使其能量衰減，因此是不可忽略的重要組成部分。利用有限元軟件進行求解過程中，有多種阻尼設(shè)置方法。主要包括Alphad和Beta阻尼、振型阻尼和單元阻尼等。不同振動模態(tài)情況下定義的阻尼比通長采用振型阻尼。振型阻尼中瑞利（Rayleigh）阻尼矩陣具有計算方便、節(jié)約內(nèi)存且其計算精度較高等優(yōu)點，因此被有限元軟件中廣泛采用。

Rayleigh阻尼將阻尼矩陣簡化為M和K的線性組合：

式中α和β為Rayleigh阻尼參數(shù)。α和β數(shù)值與粘性阻尼比之間的關(guān)系如下式表示：

式中ω為圓頻率，當(dāng)ξ為固定值條件下，α和β數(shù)值隨著ω圓頻率發(fā)生變化，其求解方程式如下：

式中：ωi和ωj分別為結(jié)構(gòu)的第i和j振型結(jié)構(gòu)圓頻率；ξi和ξj為相對應(yīng)的振型阻尼比，其值的大小根據(jù)實驗來確定。

2.3 模態(tài)分析理論

由于結(jié)構(gòu)的自振特性決定了結(jié)構(gòu)在受地震荷載作用下的響應(yīng)情況，結(jié)構(gòu)的自振特性主要由固有頻率與振型兩個因素構(gòu)成，是結(jié)構(gòu)本身的重要力學(xué)性能，因此在進行地震荷載作用下動力分析之前首先進行模態(tài)分析。模態(tài)分析在求解過程中忽略阻尼的影響，視結(jié)構(gòu)處于線彈性階段進行分析。無阻尼作用下，結(jié)構(gòu)自由振動方程為：

得出特征行列式：

求解上式得到結(jié)構(gòu)體系各階的自振頻率和各階振型。

2.4 模型邊界條件的建立

有限元法求解動力問題中，由于動力波傳播過程中受到土層特性、波在界面上的反射和透射等條件的影響。因此，合理邊界條件的選取對計算結(jié)果的準確性影響較大。人工邊界條件包括全局人工邊界和局部人工邊界，全局人工邊界由于邊界條件耦聯(lián)性時頻轉(zhuǎn)換問題，計算量很大，不適用于對結(jié)構(gòu)動力非線性問題進行求解。局部人工邊界包括Sommerfeld邊界、粘性邊界、疊加邊界、Clayton-Engquist邊界、Higdon邊界、雙漸近Higdon邊界、粘彈性邊界、透射人工邊等[9，11]。

Sommerfeld邊界、Clayton-Engquist邊界、Higdon邊界、雙漸近Higdon邊界給出方式為波動微分方程形式，非離散方式，不便于與顯式有限元法相結(jié)合，因此不采用。疊加邊界要求較大的人工邊界區(qū)，計算量很大；粘性邊界、粘彈性邊界、透射人工邊界為離散人工邊界條件，能與有限元法較好的結(jié)合；加之粘彈性邊界不需要考慮自身穩(wěn)定，比較容易實現(xiàn)，故而采用該邊界條件進行求解。粘彈性邊界是一種應(yīng)力邊界條件,該應(yīng)力是邊界結(jié)點位移和速度的函數(shù)，粘彈性邊界一般表達公式[9-10]：

式中：l為邊界結(jié)點號，i= x，y，z為3個方向分量；t為時間，σli，uli，u觶li為結(jié)點l方向i的應(yīng)力，位移和速度。Kli，Cli為結(jié)點l方向i的粘彈性邊界參數(shù)，該參數(shù)不同，代表不同形式的粘彈性人工邊界；Kli=0時為粘性邊界。

由上述一般公式可知，粘彈性邊界等同于在邊界結(jié)點i= x，y，z 3個方向施加一個一端固定的單向彈簧與阻尼元件。在有限元軟件計算中，粘彈性邊界可自動融入到有限元方程中求解，即改變了總剛度矩陣和總阻尼矩陣所對應(yīng)的對角線系數(shù)值。根據(jù)應(yīng)用已有研究成果[9-10]，計算中粘彈性邊界的具體表達方式可表述如下：

式中：ρ為土層密度；cp為土層膨脹波速；cs為土層剪切波速；r為人工邊界尺寸；G為土層剪切模量。

2.5 地震波的選取和調(diào)整

由于地震發(fā)生具有隨機性，地震波也各不相同。不同地震波作用下，所得的計算結(jié)果可能相差較遠。為了盡量保證計算結(jié)果的合理性，需要合理的對地震波進行選取和調(diào)整。重點從地震動頻譜特征、地震動強度和地震動持續(xù)時間三個方面來控制地震波的數(shù)據(jù)輸入。地震動強度一般通過輸入地震波加速度時程曲線實現(xiàn)，地震動強度大小通過加速度峰值來衡量，根據(jù)適當(dāng)?shù)谋壤糯蠡蛘邔ζ淇s小，使峰值加速度與抗震設(shè)防烈度相對應(yīng)的多遇地震、罕遇地震時的加速度峰值相當(dāng)。加速度峰值調(diào)整方式為[4]：

式中：a′（t）和a′max分別為調(diào)整后的地震加速度曲線和峰值；a（t）和amax分別為原來的地震加速度曲線和峰值。

3 實例分析

3.1 工程概況

荔村站為佛山三號線的第十一座車站，位于羊大路與荔奇路交叉口，沿羊大路東西向布置；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3.25 m，結(jié)構(gòu)頂板上表面標高0.25 m，覆土厚度取為3.0 m。結(jié)構(gòu)總高度13.38 m，抗浮水位標高2.15 m。按規(guī)范[8]第3.1.4條，抗震設(shè)防烈度為7度、設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g、設(shè)計地震分組為第一組。根據(jù)《佛山市城市軌道交通三號線工程地震安全性評價報告》可知，50年超越概率10%所對應(yīng)的地面平均峰值加速度為0.099 6 g，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。根據(jù)對應(yīng)車站地質(zhì)鉆孔，巖土物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.2 反應(yīng)位移法抗震計算

本站覆蓋層厚度小于70 m，結(jié)構(gòu)有效高度13.38 m，底板埋深約16.38 m，取本站基準面埋深H=45 m，荔村站場地深45 m深處的地層波速滿足大于500 m·s-1的要求。

彈簧支座點位移及等效地震荷載根據(jù)文中式（1）～（3）計算，計算結(jié)果如表3所示，彈簧剛度，慣性力由式（4）～（8）計算，結(jié)果如表4所示。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 The physical and mechanical parameters of soil

表3 彈簧支座點施加的支座位移和節(jié)點力Tab. 3 The support displacement and nodal force for spring bearing

表4 彈簧剛度、剪切力與慣性力計算結(jié)果表Tab.4 The calculation result of spring stiffness, shear force and inertia force kN·m-1

通過對車站結(jié)構(gòu)進行靜力計算和反應(yīng)位移法抗震分析計算，選取車站主體結(jié)構(gòu)標準段主要內(nèi)力控制截面，逐一統(tǒng)計各個工況下的內(nèi)力設(shè)計值并進行配筋計算。標準段各工況下反應(yīng)位移法與靜力法計算結(jié)果對比如表5所示。

表5 標準段各工況條件下反應(yīng)位移法與靜力法計算結(jié)果對比Tab.5 The contrast of calculation results for static method and the response displacement method

由上述對比表可知，結(jié)構(gòu)實際配筋率由準永久荷載組合作用下的裂縫計算控制，抗震工況不起控制作用，車站的中柱軸壓比未超過其限值，中柱延性滿足抗震要求。

3.3 非線性時程分析法抗震計算

3.3.1 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Midas GTS NX建立分層半空間模型，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。

圖2 時程分析法計算模型Fig.2 The calculation model for time history analysis method

時程分析法計算模型如圖2。土層單元的尺寸約為1 m×1 m，滿足動力分析的要求。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<7-1>號強分化巖層面，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。

3.3.2 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。特征值分析結(jié)果如下表6。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0.395 9 和0.869 4；土體阻尼比按常量0.05考慮。

表6 特征值分析結(jié)果表Tab.6 The result table of eigenvalue analysis

3.3.3 地震加速度曲線輸入

地震加速度{ug（t）}）通過地震加速度時程曲線輸入，按照按50年超越概率2%的水準，在地震安全性評估報告中選取，地震加速度點時間間隔為0.02 s，每組地震波加速度持續(xù)時間為40 s。進行時程分析時，由于不同地震波輸入到系統(tǒng)，產(chǎn)生的作用效果不同，為了使計算結(jié)果與實際情況更接近；將3條實際記錄的加速度時程曲線進行調(diào)幅至設(shè)防地震烈度，作為輸入地震波，所輸入3組人工合成地震波的加速度時程曲線。

3.3.4 非線性時程分析結(jié)果

為節(jié)約計算時間，每組地震波均截取0～25 s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25 s，時間增量設(shè)置為0.1 s，中間值輸出時間間隔設(shè)置為1 s。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。

該方法能反應(yīng)出結(jié)構(gòu)任意時刻位移時程反應(yīng)及變形規(guī)律，能體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)最大相對位移值其對應(yīng)的作用時間點；第一組地震波作用下，負一層最大層間相對位移為9.674 mm，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8.045 mm，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16 s。

第二組地震波作用下，負一層最大層間位移（絕對值）為10.23 mm，對應(yīng)最大層間位移角為1.191×10-3；負二層最大層間位移（絕對值）為8.993 mm，對應(yīng)最大層間位移角為1.390×10-3。時間點為地震波作用第11.2 s。

第三組地震波作用下，負一層最大層間位移（絕對值）為12.33 mm，對應(yīng)最大層間位移角為1.368×10-3；負二層最大層間位移（絕對值）為10.72 mm，對應(yīng)最大層間位移角為1.634×10-3。時間點為地震波作用第14.4 s。

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，如表7所示。

圖3 車站結(jié)構(gòu)水平位移（單位：m第一組地震波t=16.0 s）Fig. 3 The horizontal displacement of the station structure

圖4 車站結(jié)構(gòu)水平位移（單位：m第二組地震波t=11.2 s）Fig.4 The horizontal displacement of the station structure

圖5 車站結(jié)構(gòu)水平位移（單位：m第三組地震波t=14.4 s）Fig.5 The horizontal displacement of the station structure

表7 地鐵車站結(jié)構(gòu)層間位移角匯總表Tab.7 The summary table of inter-story displacement angle of subway station

4 結(jié)論

歸納和總結(jié)了地下結(jié)構(gòu)抗震性分析方法的優(yōu)缺點和適應(yīng)范圍，重點闡述了反應(yīng)位移法和非線性時程分析方法基本原理和計算要點，以佛山地鐵三號線荔村站實際工程為背景，對車站進行了擬靜力和動力數(shù)值模擬，分析結(jié)果表明地下車站結(jié)構(gòu)在地震作用下有其自身的特性，主要表現(xiàn)在：

1）反應(yīng)位移法分析結(jié)果中地震工況作用下內(nèi)力設(shè)計值比靜力作用下內(nèi)力設(shè)計值小，某些部位比靜力作用下準永久值大；但結(jié)構(gòu)按裂縫控制的配筋率比抗震計算和靜力計算配筋率均要大，結(jié)構(gòu)實際配筋由準永久荷載組合作用下的裂縫計算控制，抗震工況不起控制作用。地震工況下中柱軸力較大，是主要的承壓構(gòu)件，對中柱軸力進行調(diào)整，車站的中柱軸壓比均未超過其限值（0.75），車站中柱延性滿足抗震要求。

2）非線性時程法對車站進行地震荷載下的動態(tài)模擬，反應(yīng)出了結(jié)構(gòu)任意時刻位移時程反應(yīng)及變形規(guī)律；地震波作用下，結(jié)構(gòu)主要發(fā)生橫向剪切變形，相對于同一水平方向的點的位移，同一豎直方向的土層的水平相對位移變化較大，并且隨著埋深的增大，水平相對位移越來越。即車站頂板的橫向位移最大，中板次之，底板最??；結(jié)構(gòu)在第一組地震波作用下層間相對位移值最小，第二組次之，第三組最大；三組地震波作用下，負一層最大層間位移值均大于負二層最大層間位移值；結(jié)構(gòu)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，表明車站結(jié)構(gòu)整體抗震性能較好。

3）通過兩種抗震性能分析方法的數(shù)值模擬和驗算，地震工況作用下車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形規(guī)律與實際車站結(jié)構(gòu)地震破壞部位相同，為地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供了依據(jù)，該車站結(jié)構(gòu)總體滿足抗震設(shè)防性能要求，抗震設(shè)計中重點應(yīng)加強抗震構(gòu)造措施。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯 王建華）

Analysis Method of Seismic Behavior for Metro Underground Station

Zhou Canlang，Long Xi’an
（Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510230，China）

Abstract：The two analysis methods of structural seismic (response displacement method and time history analysis method) are discussed in this paper for the underground station based on the actual project of Li Cun Station in Metro line No.3 in Foshan. The response displacement method is on the premise of seismic response calculation of one-dimensional soil layer, and is on the basis of deformation value of the surrounding soils under earthquake action. Two-dimensional structure model is established for the subway station and the equivalent earthquake force is calculated by using the deformation value, which is loaded in the structural model in static form. The results of seismic response and static method are compared and the change law of internal force is summarized. Besides, the time history analysis method is on the basis of dynamic finite element theory. Limited soil from halfspace should be selected and the viscous-spring artificial boundary should be used for this method. Also the record values of seismic wave must be adjusted reasonably. And the rayleigh damping is used which has the advantages of convenient calculation，memory saving and high accuracy. A whole calculation model is established which include the structure and the surrounding soil based on Midas GTS NX software. And the natural frequency and vibration modes of the structural system are solved through the modal analysis. The dynamic characteristics of underground structures is simulated under the seismic load. And the displacement time history response and deformation law are revealed under earthquake action of the subway station. The article provides the basis for a seismic design for subway station through the two methods of seismic performance analysis.

Key words：metro station；structural seismic；response displacement method；nonlinear time history analysis method；Midas GTS NX

中圖分類號：TU352.1；U231；TU93

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）03-0013-10

收稿日期：2015－11－30

作者簡介：周燦朗，（1977—），男，碩士，高級工程師，研究方向為城市軌道交通。