朱 長 城

(1.中鐵文化旅游投資集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550002; 2.中鐵四川生態(tài)城投資有限公司，四川 仁壽 620561)

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某在建地鐵車站動力特征響應(yīng)分析

朱 長 城1,2

(1.中鐵文化旅游投資集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550002; 2.中鐵四川生態(tài)城投資有限公司，四川 仁壽 620561)

按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，選取了昆明某在建地鐵的最不利荷載工況，基于ANSYS有限元軟件，對該地鐵車站進(jìn)行了地震作用下的動力時程分析，結(jié)果表明：該地鐵車站整體位移很小且振動非常穩(wěn)定，在該地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”抗震設(shè)防原則。

地鐵車站,地震作用,動力時程分析,結(jié)構(gòu)特征響應(yīng)

0 引言

1995年的日本阪神大地震造成神戶市大量的鋼筋混凝土地下結(jié)構(gòu)不同程度的破壞[1]，特別是地鐵車站等結(jié)構(gòu)曾出現(xiàn)嚴(yán)重的震害以及次生災(zāi)害[2,3]。地鐵車站的破壞主要集中在混凝土中柱及側(cè)墻的上下端部，表現(xiàn)為中柱燈籠狀屈曲的壓縮破壞和剪切破壞及側(cè)墻角部的開裂，最終造成頂板折斷，結(jié)構(gòu)倒塌[4]。隨著我國城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，地鐵地下車站體積愈來愈大，結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜，這些大型復(fù)雜地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震可靠性成為防災(zāi)減災(zāi)研究的熱點及難點課題[5]。而目前為止，國內(nèi)還缺乏完善的地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計算方法，更無針對地鐵車站的設(shè)計規(guī)范?，F(xiàn)階段，設(shè)計人員多參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[6]和《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》[7]中的“地下建筑”部分對地下車站進(jìn)行抗震設(shè)計。因此，本文基于土層—結(jié)構(gòu)時程分析對于在建的昆明某地下車站進(jìn)行抗震性能分析顯得十分必要。其不但可以指導(dǎo)本地鐵車站的設(shè)計與施工，還可以為其他類似的地鐵車站設(shè)計提供參考，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

本文基于ANSYS有限元軟件建立昆明某地鐵車站有限元模型(考慮不同荷載效應(yīng)組合)，分別輸入El-Centro波、天津波和一組人工模擬的加速度時程曲線，進(jìn)行動力時程分析。之后，對結(jié)構(gòu)的不同動力響應(yīng)特征進(jìn)行分析，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工。

1 數(shù)值分析的基本假設(shè)

1.1 有限元模型

本文采用有限元程序ANSYS建立昆明某地鐵車站模型并進(jìn)行動力時程數(shù)值分析。該地鐵車站為3層2跨，其結(jié)構(gòu)橫剖面如圖1所示，相應(yīng)有限元模型如圖2所示。車站埋深為5 m，車站頂板和底板厚為0.9 m，中間板厚0.4 m，側(cè)墻厚度為1.0 m，中柱寬度為0.8 m。地下1層高度為10.75 m，地下2層高度為6.64 m，地下3層高度為6.55 m。兩跨寬度均為12.0 m。模型邊界采用粘彈性邊界模擬無限域的影響[8]。

1.2 材料參數(shù)

本地鐵車站的土體和隧道結(jié)構(gòu)均假定為彈性材料，不考慮塑性變形。土體的密度為2 000 kg/m3，彈性模量為300 MPa，泊松比為0.25，剪切波速為200 m/s，縱波速度為350 m/s。車站結(jié)構(gòu)采用C35混凝土。車站結(jié)構(gòu)與周圍土體接觸面的相互作用行為通過接觸力學(xué)的方法進(jìn)行考慮。其中接觸面法向假定為“硬接觸”，接觸面切向力學(xué)行為設(shè)置為“罰函數(shù)”，即切向力為庫侖摩擦力。土體和車站橫截面劃分為1 m×1 m的網(wǎng)格。

1.3 荷載及組合

1)永久荷載計算。結(jié)構(gòu)自重按實際重量計算；覆土豎向土壓力按截面以上全部土柱高水土合算計算，側(cè)向土壓力則按水土分算計算；靜水壓力及浮力根據(jù)地下水位高度采用全水頭進(jìn)行計算。

2)可變荷載計算。路面車輛荷載按汽—超20等級計算；施工期間基坑側(cè)面超載按20 kPa計算；站廳、樓梯、管理用房、站臺上人群活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按4 kPa計算；列車車輛設(shè)計軸重140 kN。

3)偶然荷載計算。地震荷載按設(shè)防烈度8度計算。

4)荷載組合根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

1.4 地震波輸入

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.2條規(guī)定，多遇地震作用下取三組加速度時程曲線——兩組實際強(qiáng)震記錄(El-Centro波和天津波)和一組人工模擬的加速度時程曲線。本地鐵車站所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第3組。查閱《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》：場地特征周期為0.65 s。所選3組波形簡介如下：

1)El-Centro波。El-Centro波，1940年美國加利福尼亞州帝谷(Imperial Valley)地震時在埃爾森特羅(El Centro)測得N—S方向加速度記錄[10]。持時53.73 s，最大加速度峰值為341.7 cm/s2(見圖3)，場地土屬Ⅲ類，震級6.7級，震中距11.5 km，近震;

2)天津波。寧河天津波地震記錄，1976年寧河地震時在天津醫(yī)院測得N—S方向加速度記錄。持時19.19 s，最大加速度峰值145.80 cm/s2(見圖4)，適合Ⅲ類,Ⅳ類場地土，震級6.9級;

3)人工波。根據(jù)場地條件和反應(yīng)譜特性，選擇如圖5所示的人工波，頻率2.4 Hz，持時30 s。

2 結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析

該地鐵車站結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要包括結(jié)構(gòu)自振頻率和地震動作用下的變形分析。分析結(jié)構(gòu)的受力性能及是否滿足規(guī)范相關(guān)要求。

2.1 結(jié)構(gòu)自振模態(tài)和頻率分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)識別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型。通過求解結(jié)構(gòu)的自振頻率可以了解該結(jié)構(gòu)的基本振動特性，避開這些基本頻率，防止共振。同時，結(jié)構(gòu)自振頻率還可以代表結(jié)構(gòu)整體的剛度，頻率低表示結(jié)構(gòu)的剛度低；反之，則說明結(jié)構(gòu)的剛度很高。本文采用ANSYS有限元程序計算了該地鐵車站的前6階自振模態(tài)(見圖6)，固有頻率(見表1)。

由圖6可見，車站結(jié)構(gòu)的變形主要發(fā)生在2層,3層梁處，四周梁和柱結(jié)構(gòu)形成近似一個箱形構(gòu)件，變形相對于2層,3層梁較小。這種受力狀態(tài)符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》“強(qiáng)柱弱梁”的結(jié)構(gòu)抗震思想。

表1 自振頻率 Hz

從表1可見，該地鐵車站的基本自振頻率為2.37 Hz，相應(yīng)基本自振周期為0.42 s。該基本自振周期位于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中“地震影響系數(shù)曲線”的“水平段”，即地震動影響最大處，常遇地震對其影響比較大。

2.2 動力時程計算結(jié)果及分析

根據(jù)規(guī)范要求，對車站分別輸入El-Centro波、天津波和人工波(兩條天然波和一條人工波)，進(jìn)行動力時程分析。

限于篇幅，本文僅給出了El-Centro波作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征，包括應(yīng)力云圖(如圖7所示)和變形圖(如圖8所示)等。

從圖7中可以看出，相比于車站周圍構(gòu)件，第2層和第3層梁上應(yīng)力較大。從圖8中可以看出，第2層和第3層梁的變形較大，最大位移為11.64 cm，出現(xiàn)在第2層樓板處。這與1995年日本阪神地震中神戶大開地鐵車站破壞模式相似。同時，這種受力模式符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計思想，能夠保證地鐵車站破壞時有足夠的延性。

在結(jié)構(gòu)變形圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了變形最大處和梁柱節(jié)點處的節(jié)點位移曲線(見圖9)。

對圖9進(jìn)行初步分析后，可以看出：

1)比較圖9a)～圖9c)可知，X向最大節(jié)點位移僅為-1.20 cm，而Y向最大節(jié)點位移為-11.07 cm，占最大節(jié)點總位移的95%，這一現(xiàn)象表明第2層和第3層梁以豎向振動分量為主；

2)豎向振動平衡位置位于-7.60 cm處(見圖9b))，表明第2層和第3層梁發(fā)生了較大的幾何位移，該幾何位移與靜力荷載的施加有較大關(guān)系；

3)從圖9d)可見，頂層梁柱節(jié)點位移最大值僅為0.3 cm，遠(yuǎn)小于梁的最大節(jié)點位移，且振動較為穩(wěn)定，表明結(jié)構(gòu)整體位移較小；

4)比較圖9c)和圖9d)可知，結(jié)構(gòu)整體位移遠(yuǎn)小于梁體局部的最大節(jié)點位移，且振動非常穩(wěn)定，表明該地鐵車站具有良好的抗震能力。

為了便于統(tǒng)計與對比分析，本文對三條地震波作用下所計算的結(jié)構(gòu)特征響應(yīng)進(jìn)行總結(jié)(見表2)。

表2 三種地震波作用下結(jié)構(gòu)的特征響應(yīng)

從表2可見，最大應(yīng)力位置均位于第2層梁處，最大節(jié)點位移均位于第2層梁，整體位移都非常小。結(jié)構(gòu)的整體位移均遠(yuǎn)小于梁局部位移，能夠?qū)崿F(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震思想。

3 結(jié)語

本文首先對昆明某在建地鐵車站進(jìn)行了較為精確的有限元建模并開展了模態(tài)分析；之后基于有限元軟件ANSYS輸入三條地震波(兩條天然地震波和一條人工波)進(jìn)行動力時程計算；最后，對結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

1)通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，該車站結(jié)構(gòu)的變形主要集中于第2層和第3層梁處，四周梁和柱的變形較小，剛度較大；

2)地震波作用下，結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力和變形較大，集中于第2層和第3層梁處，而結(jié)構(gòu)整體變形很小，體現(xiàn)了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》“強(qiáng)柱弱梁”的結(jié)構(gòu)抗震思想；

3)總體來說，該地鐵車站整體位移很小且振動非常穩(wěn)定，在本地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”抗震設(shè)防原則。

[1] Sanata S, Ohuchi H, Matsuda T. A study of the damage of subway structures during the 1995 Hanshin-Awaji earthquake[J]. Cement and Concrete Composites,1997,19(3):223-239.

[2] 王瑞民,羅奇峰.阪神地震中地下結(jié)構(gòu)和隧道的破壞現(xiàn)象淺析[J].災(zāi)害學(xué),1998,13(2):63-66.

[3] 楊春田.日本阪神地震地鐵工程的震害分析[J].工程抗震,1996(2):40-42.

[4] 郭建剛.地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計算方法探討[J].鐵道勘測與設(shè)計,2013(6):17-20.

[5] 杜修力,王 剛,路德春.日本阪神地震中大開地鐵車站地震破壞機(jī)理分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2016,36(2):165-171.

[6] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[7] GB 50111—2006,鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[8] 夏 晨,趙伯明,王子珺,等.地震作用下地鐵車站橫截面變形的影響因素研究[J].土木工程學(xué)報,2015,48(S1):132-136.

A study on seismic response of subway station

Zhu Changcheng1,2

(1.ChinaRailwayCultureTourismInvestmentGroupCo.,Ltd,Guiyang550002,China;2.ChinaRailwaySichuanEco-CityInvestmentCo.,Ltd,Renshou620561,China)

Select the worst load effect combination for the Kunming metro station based on the load code for the design of building structures, carry out the elastic dynamic time-history analysis for the metro station using the software ANSYS. The results show that the metro station can achieve the principle of three level fortification as three states of work:safety(undamaged), intermediate(repairable) and failure(destruction) as the little global response and stable vibration.

subway station, geological process, dynamic time-history analysis, structure characteristics of the response

1009-6825(2017)10-0050-04

2017-01-24

朱長城(1981- )，男，高級工程師

TU311.3

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