■ 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 張金偉

當(dāng)前，社會(huì)發(fā)展步伐加快，地鐵線(xiàn)網(wǎng)逐年擴(kuò)大、線(xiàn)路愈發(fā)密集，周邊工程條件漸趨復(fù)雜。由于暗挖車(chē)站具有不影響交通、減少地下管線(xiàn)改移等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多。地震對(duì)地鐵工程的影響巨大，需要對(duì)暗挖地鐵車(chē)站的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究。目前，研究多集中在明挖車(chē)站或其他地下空間結(jié)構(gòu)[1]-[4]，針對(duì)暗挖地鐵車(chē)站的抗震設(shè)計(jì)研究還很少。本文通過(guò)兩種不同計(jì)算方法在暗挖地鐵車(chē)站抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，對(duì)抗震設(shè)計(jì)的適用性進(jìn)行評(píng)定。

1.工程概況

該地鐵車(chē)站位于北京市主城區(qū)交通干線(xiàn)下方，沿道路“一”字形布置。道路兩側(cè)為30層以上的高層住宅，車(chē)站上方埋設(shè)燃?xì)狻⒂晁?、上水、電力、電信等多種地下管線(xiàn)。為減小車(chē)站施工時(shí)對(duì)道路的交通影響，并盡量不改移現(xiàn)狀管線(xiàn)，加之車(chē)站基底埋深約31m，局部深33m，車(chē)站采用暗挖法施工。車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段為兩層三跨結(jié)構(gòu)形式，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車(chē)站頂拱、底板及邊墻采用C40、P10砼，中板采用C40砼。

2.抗震設(shè)計(jì)條件及設(shè)防目標(biāo)

京津唐張地區(qū)自有歷史記載以來(lái)，共查證到5級(jí)以上地震60余次。平均每10年發(fā)生一次，頻率雖不高但破壞性極大。擬建場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g。25m深度范圍內(nèi)土層等效剪切波速值Vse在250m/s～500m/s之間。場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟—中硬土。場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。擬建場(chǎng)地地面下20m深度范圍內(nèi)的飽和粉土及砂土不液化。

當(dāng)遭受低于該工程抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)不損壞，不影響周?chē)h(huán)境和市政設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)；當(dāng)遭受相當(dāng)于該工程抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，車(chē)站結(jié)構(gòu)不損壞或僅需對(duì)非重要結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行一般修理，對(duì)周?chē)h(huán)境影響輕微，不影響市政設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)；當(dāng)遭受高于該工程抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，車(chē)站結(jié)構(gòu)支撐體系不發(fā)生嚴(yán)重破壞且便于修復(fù)，無(wú)重大人員傷亡，對(duì)周?chē)h(huán)境不產(chǎn)生嚴(yán)重影響，修復(fù)后市政設(shè)施可正常運(yùn)營(yíng)。

3.抗震設(shè)計(jì)計(jì)算思路和方法

車(chē)站主體結(jié)構(gòu)沿縱向結(jié)構(gòu)形式連續(xù)且規(guī)則，橫向結(jié)構(gòu)斷面對(duì)稱(chēng)，抗震分析時(shí)可近似按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行處理，分別采用反應(yīng)位移法和時(shí)程分析法對(duì)車(chē)站進(jìn)行抗震驗(yàn)收和分析，周?chē)馏w作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，最后通過(guò)計(jì)算結(jié)果的比較，評(píng)價(jià)兩種不同計(jì)算方法的適用性。

計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮土層相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)慣性力和周?chē)袅Φ淖饔谩?yīng)用Midas-GTS有限元分析計(jì)算軟件，采用平面框架結(jié)構(gòu)，車(chē)站底板支承在彈性地基上，通過(guò)“荷載—結(jié)構(gòu)”模型，計(jì)算構(gòu)件的彎曲、剪切和壓縮變形。然后根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，取最不利組合包絡(luò)，進(jìn)行承載能力的計(jì)算、變形及裂縫的驗(yàn)算。

4.反應(yīng)位移法抗震計(jì)算分析

按巖土工程勘察報(bào)告，選取代表性鉆孔的地層參數(shù)并綜合考慮站區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算，地面標(biāo)高取41.06m，結(jié)構(gòu)頂板上覆土厚度取17.4m，結(jié)構(gòu)總高度15.1m?？垢∷粯?biāo)高34m。

4.1 輸入?yún)?shù)計(jì)算

（1） 彈簧支座位移計(jì)算

在結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中，車(chē)站結(jié)構(gòu)負(fù)一層劃分單元為5個(gè)，負(fù)二層劃分單元為7個(gè)。基巖面埋深H=53.6m。經(jīng)計(jì)算，各支座位移在0.027m～0.0378m之間，最大相對(duì)位移約為0.01m。

（2） 彈簧剛度計(jì)算

加權(quán)平均各土層后相應(yīng)地基反力系數(shù)Kx=45MPa/m2；Kv=45MPa/m2。計(jì)算車(chē)站側(cè)墻與土體相互作用壓縮彈簧剛度kx=62.1MPa/m，剪切彈簧剛度kv=62.1MPa/m。計(jì)算底板與土體相互作用壓縮彈簧剛度kx=83.5MPa/m，剪切彈簧剛度kv=83.5MPa/m。計(jì)算作用于結(jié)構(gòu)頂板、底板、側(cè)墻剪切力分別為1.65、21.2、11.4 kN/m。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

將計(jì)算的地震反應(yīng)位移施加于結(jié)構(gòu)的彈簧支座處，支座的約束反力即為施加于結(jié)構(gòu)側(cè)壁的地震作用力。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

計(jì)算最大彎矩為2371KN·m，發(fā)生在側(cè)墻角部，與靜力計(jì)算結(jié)果比較，該地震組合不控制車(chē)站結(jié)構(gòu)各構(gòu)件配筋。

5.時(shí)程分析法抗震計(jì)算分析

計(jì)算50年超越概率63%、10%、5%、2%、1%共5種概率水準(zhǔn)的基巖水平峰值加速度分別為39.00、163.70、221.40、293.00、348.10gal，持時(shí)參數(shù)分別為 8.0、9.5、10.0、10.0、10.0s。

圖1 計(jì)算結(jié)果圖示

圖2 時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果圖示

表1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

5.1 計(jì)算模型及輸入

采用波動(dòng)法進(jìn)行地震動(dòng)輸入，三向地震波輸入時(shí)，其加速度最大值按照1（水平X方向）：0.85（水平Y(jié)方向）：0.65（豎向）的比例調(diào)整，模型邊界采用粘彈性吸收邊界。計(jì)算模型的側(cè)面人工邊界距地下結(jié)構(gòu)為3倍車(chē)站水平有效寬度，底面人工邊界距結(jié)構(gòu)為3倍車(chē)站豎向有效高度，上表面取至實(shí)際地表。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

彎矩最大發(fā)生在底板與側(cè)墻接口部位，為2197KN·m。

6.不同計(jì)算方法對(duì)比分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同計(jì)算方法所得各項(xiàng)內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

7.結(jié)論與討論

（1）時(shí)程分析法與反應(yīng)位移法兩種計(jì)算方法除個(gè)別點(diǎn)以外，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果較為接近，達(dá)到了互相驗(yàn)證的目的，同時(shí)表明兩種方法均適用于暗挖地鐵車(chē)站的抗震設(shè)計(jì)。時(shí)程分析法與反應(yīng)位移法兩種方法計(jì)算結(jié)果有所區(qū)別，時(shí)程分析法頂板相對(duì)底板位移較反應(yīng)位移法大，這主要是由于兩種計(jì)算方法在位移計(jì)算、模型邊界約束及彈簧布置等方面有所不同導(dǎo)致。

（2）通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是反應(yīng)位移法還是時(shí)程分析法都不控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，最終以基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合控制。因地震狀態(tài)下各彈簧支座的相對(duì)位移最大在50mm左右，可推斷出地震作用使得車(chē)站結(jié)構(gòu)對(duì)周邊環(huán)境如地表、管線(xiàn)、建（構(gòu)）筑物的影響較小，不會(huì)構(gòu)成較大的破壞。

（3）通過(guò)構(gòu)造措施改善結(jié)構(gòu)受力，遵守“強(qiáng)柱、弱梁、更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)”原則。同時(shí)，對(duì)鋼管柱節(jié)點(diǎn)和梁的連接部位進(jìn)行加強(qiáng)、設(shè)置節(jié)點(diǎn)腋角，并在結(jié)構(gòu)開(kāi)洞處應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)圈梁或環(huán)框梁。