曹萌芽

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

1 工程概況

奧體中心站是沈陽地鐵9號線工程的一個換乘站，與地鐵2號線采用“通道+換乘廳”形式換乘。車站設于渾河大街與渾南西路交口處立交橋北側，大部分位于青年南大街下，東西兩端均位于綠化用地范圍內，大致呈東西向布置。青年南大街為城市重要的交通干道且為景觀大街，交通順暢。青年南大街道路紅線寬60 m，雙向12車道。

2 三維有限元動力模型

為了更好地提升該地鐵車站結構的穩(wěn)定性與安全性，工程師以MIDAS/UTSNX軟件為數據分析和模擬平臺，以三維數值模擬分析為基礎，詳細分析和研究地鐵車站結構的抗震特性。

2.1 模型與參數

考量到三維有限元動力模型的基本要求，根據工程實際情況，分方向設置模型尺寸，相關參數為：X方向模型長度630 m，Y方向模型長度550 m，Z方向模型長度110 m，模型節(jié)點數量108 000個，由模型節(jié)點連接作用形成的單元數量510 000個。此外，模型根據車站結構共分為4層結構類型，采用四面體單元形式模擬。

2.2 邊界處理模型

為了消除邊界處應力波反射現象，可引入黏彈性人工邊界，以加強結果處理的準確性。具體作用機理為確定邊界節(jié)點并根據節(jié)點位置確定其所對應的法向與切向區(qū)域。

2.3 荷載及求解

在該環(huán)節(jié)中，可研究不同人工形態(tài)下模型受到地震的影響程度。該分析基于地下結構抗震性能（設防目標要求）E2與E3地震環(huán)境下結構的地震響應情況，模擬結果見圖1。

圖1 分別模擬了E2和E3作用下的典型波，并將X軸按逆時針48°方向旋轉處理，依次展開18種荷載模擬，設置積分時間步長，同時引入紐馬克-B法，借助平均加速度進行工況計算。最后，根據工程實際情況確定相關參數。其中，積分時間步長0.02 s，所有工況總計算時間30 s。

3 車站結構差異變形時程分析

在考慮各監(jiān)測點動力時程曲線情況下，地鐵車站結構橫斷面的相對水平位移峰值（絕對值）詳見圖2，其最大值基本發(fā)生在結構頂板。這是因為地震動向上傳播時的放大效應以及側墻開洞造成的剛度發(fā)生了巨變，從而造成結構上層變形值往往較下層變形值大。

圖2 監(jiān)測面相對位移

從基底差異變形時程曲線可知：（1）9號線奧體中心站主體結構的橫向最大差異變形6.51 mm，縱向最大差異變形0.25 mm；（2）2號線奧體中心站主體結構的橫向最大差異變形6.30 mm，縱向最大差異變形0.24 mm。因此，在設計的E2和E3地震作用下，奧體中心站的基底差異變形量均不大，能滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016版）（以下簡稱規(guī)范）中“經一般修理后仍可繼續(xù)使用”的要求[1]。

地震工況的計算方法：建立“荷載-結構”模型，將時程分析法所得結構的實際X方向位移加載在結構上；同時，水平方向僅加載水壓力，豎向荷載與基本組合相同。

4 計算地下結構抗震的方法研究及設計流程

4.1 土層結構的時程分析方法研究

依托時程分析法，可開展土層結構分析。時程分析法內容主要包括：（1）將整個城市軌道交通大型空間結構及其周圍土體視作整體，從而分析地震持續(xù)時間對地下空間結構的影響；（2）調整地震加速度，并收集在不同地震運動時間和強度下，地下結構的位移情況和內力指標，為地下結構穩(wěn)定性分析提供參考數據，以便開展進一步抗震性能的分析[2]。

4.2 反應位移方法研究

為了全面地分析土層與結構動力之間的關系，在比較與綜合了多種研究方法后，選擇了自由場反應位移方法來分析一維土層受到地震影響的情況，并如實記錄土層反應情況，從而提升城市軌道交通大型地下空間結構抗震性能分析的科學性與可靠性。

此外，還可以采用反應位移方法收集土層的位移量，計算出土層結構慣力，并引入地基反力系數這一概念，從而計算出地下結構地基的彈簧剛度。

4.3 地下空間結構抗震性能設計流程

地下空間結構抗震性能設計流程大致可分為2步，即確定關鍵問題與分析地基地震反應。

4.3.1 確定地下空間結構抗震性能設計關鍵問題

1）在確定關鍵問題前，要先進行地質勘查，掌握地下結構的地基條件與周圍建筑物的分布情況。在地下空間結構抗震性能設計過程中，設計人員要嚴格按照地震作用基準面設計標準進行設計，考量輸入的地震動是否符合相關設置標準，并處理好基線，同時采用漂移的方式處理基線，以避免在模擬過程中以及實際的施工中出現位移。

2）輸入的地震面與場地覆蓋層之間存在相互影響的關系，并根據輸入的地震面來計算出地下結構抗震施工覆蓋層的厚度。值得注意的是，若覆蓋層的厚度不合理，就會影響整個地下結構的地震動強度，從而造成地震反應結果失真的情況。

3）在國內的城市軌道交通大型地下空間結構抗震性能設計中，輸入地震動的確定與輸入地震面的選擇，需要結合實際的地下結構情況確定?？蛇x擇在隧道與地下車站交界處的巖土層實施覆蓋土層，同時，根據地下車站場地的大小嚴格控制覆蓋土層的厚度[3]。

4.3.2 地基地震反應的計算

隨著城市軌道交通地下空間結構向廣度和深度不斷加大，傳統的線彈性分析方法無法滿足當前地下空間結構的計算需求，諸多的新型計算方法被應用到地下空間結構地基地震反應的計算。在選擇計算方法時，可以綜合考慮工程實際情況、各個計算方法的特點及優(yōu)缺點，從而選擇效果最好的計算方法。

本工程選擇了應用自由場反應法來確定地震加速度的計算方法，通過計算可知地下結構周圍地基的非線性程度。計算對象為地下空間結構襯砌和橫向結構，計算內容為結構內力指標與變形量。經過計算，可以獲得地下空間結構橫向抗震結構的抗震性能，評估地下空間結構的抗震等級。

地下空間結構抗震性能設計過程中，設計人員要關注影響地下空間結構抗震性能的因素，并嚴格按照分析方法實施實驗與計算，從而對地下空間結構抗震性能做出科學評估，確保投入運行使用的地下空間結構抗震效果理想，滿足設計要求。

5 抗震構造措施

經地層地震反應計算、車站結構抗震分析和計算、抗震性能驗算，車站結構總體滿足抗震設防性能要求，抗震設計的重點是加強構造措施。對于淺埋矩形框架結構的車站，宜采用現澆鋼筋混凝土結構，避免采用裝配式和部分裝配式結構。特別應保證側墻板與頂板、梁板與柱節(jié)點的剛度、強度及延性。加強中柱與頂板、中板鋼筋連接?？赡艿那闆r下，中柱采用鋼骨或鋼管混凝土柱代替鋼筋混凝土柱，增加延性，提高抗震性能[4]。

根據規(guī)范6.3節(jié)要求，抗震等級為3級時，梁端箍筋加密區(qū)的長度、箍筋的最大間距和最小直徑應滿足3個要求：（1）當梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時，箍筋最小直徑數值應增大2 mm；（2）梁端加密區(qū)的箍筋肢距，不宜大于250 mm和20倍箍筋直徑的較大值；（3）對于鋼筋混凝土柱，3級抗震時截面寬度和長度應大于300 mm，剪跨比宜大于2，截面長邊與短邊的比值應小于3，柱軸壓比應小于0.85。

對于柱箍筋的加密范圍，應按下列規(guī)定選用：（1）柱端，取截面高度（圓柱直徑）、柱凈高的1/6和500 mm三者的最大值；（2）底層柱的下端不小于柱凈高的1/3；（3）剛性地面上下各500 mm；（4）剪跨比小于2的柱、因設置填充墻等形成的柱凈高與柱截面高度之比小于4的柱、框支柱取全高。在柱箍筋加密區(qū)的箍筋肢距方面，1級不宜大于200 mm，2級、3級不宜大于250 mm。與此同時，至少每隔1根縱向鋼筋就在相反2個方向設置箍筋或拉筋約束，在采用拉筋復合箍時，拉筋宜緊靠縱向鋼筋并鉤住箍筋。

對于柱箍筋非加密區(qū)的箍筋配置，應符合下列要求：（1）柱箍筋非加密區(qū)的體積配箍率不宜小于加密區(qū)的50%，且箍筋間距的3級框架柱應＜15倍縱向鋼筋直徑；（2）為提高中柱的抗剪強度、抗彎強度和延性，主體結構采用鋼管混凝土柱并提高鋼管柱套箍指標，以提高主體結構的抗震性能。

6 結語

為了減輕城市地面交通的壓力，城市地下軌道交通的發(fā)展規(guī)模正在不斷擴大，相應的地下空間結構的建設也在逐漸增多。如何提升城市軌道交通大型地下空間結構的抗震性能，成為人們越來越關注的問題。提供抗震性能良好的城市軌道交通大型地下空間結構，才能為人們的生產、生活創(chuàng)造更加安全舒適的出行環(huán)境。

本文基于某地鐵車站工程，以MIDAS/UTSNX軟件為平臺搭建三維有限元動力模型，分析在地震力的作用下地下空間結構的位移與變形情況，并嚴格控制地下空間結構中頂、底板變形位移情況，完善地下空間結構抗震性能設計，從而提高地下空間結構的綜合效益，推動城市軌道交通的健康發(fā)展。