楊少慧

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100020)

1 工程背景

本工程以某地鐵車(chē)站為研究對(duì)象，該車(chē)站為地下兩層雙島四線同臺(tái)換乘站，車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段寬為50.9 m、高20.13 m，車(chē)站長(zhǎng)為400.6 m。車(chē)站西段設(shè)備區(qū)結(jié)構(gòu)形式為單層兩跨，車(chē)站結(jié)構(gòu)形式為雙層五柱六跨。

本車(chē)站勘察的控制性勘探孔最大深度為50.00 m。按照地層沉積年代、成因類(lèi)型、地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)地層進(jìn)行劃分，根據(jù)本車(chē)站擬建場(chǎng)地地層分布情況，共劃分為9個(gè)大層及亞層?？傮w看來(lái)，地層分布特性為砂土-黏土互層分布，地鐵車(chē)站主要位于粉細(xì)砂、細(xì)中砂和粉質(zhì)黏土中。

2 地震動(dòng)參數(shù)選取

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909-2014)，本工程抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)，車(chē)站主體抗震等級(jí)為二級(jí)，按8度抗震設(shè)防烈度要求進(jìn)行抗震驗(yàn)算[1]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(附條文說(shuō)明)(2016年版)》(GB 50011—2010)附錄A，該站設(shè)計(jì)地震分組為第二組(特征周期值為0.55 s)[2]。

分別采用地下結(jié)構(gòu)抗震的E2工況(50年超越概率10%的基巖水平地震動(dòng)時(shí)程)，E3工況(50年超越概率2%的基巖水平地震動(dòng)時(shí)程)作為模型的動(dòng)力荷載輸入，如圖1所示?？紤]數(shù)值計(jì)算模型要求，將場(chǎng)地土層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)相似的土層進(jìn)行合并，共合并成10層土，場(chǎng)地土層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1，結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 基巖水平地震動(dòng)時(shí)程曲線

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)表

3 數(shù)值分析模型建立

采用midas GTS對(duì)該工程進(jìn)行模擬，midas GTS動(dòng)力模塊可以進(jìn)行完全動(dòng)力學(xué)分析，基于顯式有限差分法求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。方程可與結(jié)構(gòu)單元模型進(jìn)行耦合求解，從而可以求解振動(dòng)中土與結(jié)構(gòu)相互作用的問(wèn)題。土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)，采用粘彈性吸收邊界，考慮地震波在土體中的傳播特性，模型的側(cè)邊界取3倍的結(jié)構(gòu)寬度，這就避免了地震波反射對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，模型底邊界取至基準(zhǔn)面并不小于3倍的結(jié)構(gòu)有效高度，上表面取至地表。建立的數(shù)值模型尺寸X×Y×Z=350 m×36 m×60 m，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)51 885個(gè)，單元數(shù)102 149個(gè)；土體采用實(shí)體單元模擬，墻、板采用板單元模擬，梁、柱、樁采用梁?jiǎn)卧M，數(shù)值模型如圖2。

圖2 土層結(jié)構(gòu)模型圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模型建立完畢之后，首先計(jì)算結(jié)構(gòu)特征值，得到結(jié)構(gòu)的特征周期并輸入到動(dòng)力計(jì)算中，沿X方向在模型底部施加動(dòng)力荷載。

4.1 結(jié)構(gòu)位移對(duì)比分析

帶樁基的車(chē)站主體結(jié)構(gòu)X向水平位移最大值為10.41 mm，最大值位置一般發(fā)生在車(chē)站頂板和側(cè)墻頂部，其他位置上的位移則較小。不帶樁基的車(chē)站主體結(jié)構(gòu)X向水平位移最大值為10.49 mm，最大值位置一般發(fā)生在車(chē)站頂板和側(cè)墻頂部，而其他位置上的位移則較小。

E2工況和E3工況下的地鐵車(chē)站層間位移差及位移角對(duì)比見(jiàn)表3、表4。由此可以看出，不管是帶樁基的地鐵車(chē)站還是不帶樁基的地鐵車(chē)站，在地震荷載作用下二者都滿足層間位移角的限制，但是對(duì)比地鐵車(chē)站層間位移差及層間位移角這兩項(xiàng)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，在E2工況下，帶樁基的地鐵車(chē)站與不帶樁基的地鐵車(chē)站數(shù)值線接近；在E3工況下，帶樁基的地鐵車(chē)站比不帶樁基的地鐵車(chē)站數(shù)值偏小，由此可知，抗拔樁對(duì)于地鐵車(chē)站的抗震性能還是起到了積極的作用。

表3 E2工況下地鐵車(chē)站層間位移差及層間位移角對(duì)比表

表4 E3工況下地鐵車(chē)站層間位移差及層間位移角對(duì)比表

4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分析

帶樁基的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的最大彎矩為1 588 kN·m，不帶樁基的地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的最大彎矩為2 248 kN·m，由此可知，在動(dòng)力荷載下，抗拔樁對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)彎矩的減小幅度比較大。

地鐵車(chē)站中柱為邊長(zhǎng)1 000 mm×1 400 mm的混凝土柱，帶樁基的地鐵車(chē)站中柱最大剪力為Q=271 kN，不帶樁基的地鐵車(chē)站中柱最大剪力為Q=279 kN。由此可知，在動(dòng)力荷載作用下，抗拔樁對(duì)于地鐵車(chē)站中柱的剪力基本沒(méi)有影響。

4.3 抗拔樁內(nèi)力分析

在動(dòng)力荷載作用下，抗拔樁剪力圖如圖3所示。對(duì)車(chē)站底部設(shè)置抗拔樁的彎矩進(jìn)行提取，最大彎矩值為M=2 263.42 kN·m，最大彎矩出現(xiàn)在抗拔樁的頂部，樁頂彎矩的較大值分布在結(jié)構(gòu)的邊緣處，較小值分布在結(jié)構(gòu)的中心處；地鐵車(chē)站的抗拔樁為φ1 500 mm的混凝土樁，最大剪力為Q=970 kN，最大剪力出現(xiàn)在抗拔樁的頂部，樁頂剪力的較大值分布在結(jié)構(gòu)的角點(diǎn)處，較小值分布在結(jié)構(gòu)的中心處。

圖3 拔樁剪力圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于某地鐵車(chē)站工程，采用MIDAS-GTS軟件建立有限元分析模型，對(duì)帶抗拔樁的地鐵車(chē)站和不帶抗拔樁的地鐵車(chē)站進(jìn)行抗震性能對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

(1)抗拔樁對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的位移有減弱的作用，通過(guò)考查層間位移差和沉降位移角兩個(gè)參數(shù)得知，在E2工況下抗拔樁對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的位移的減弱作用不明顯，在E3工況下抗拔樁對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的位移有明顯的減弱作用。

(2)通過(guò)對(duì)比帶樁基地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)和不帶樁基地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的彎矩可知，抗拔樁對(duì)于地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的彎矩有明顯的減弱作用。

(3)通過(guò)對(duì)比帶樁基地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)和不帶樁基地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的中柱剪力可知，抗拔樁對(duì)于地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的中柱剪力基本上沒(méi)有影響。

(4)在動(dòng)力荷載作用下，抗拔樁的最大彎矩和最大剪力都出現(xiàn)在樁頂處，且樁頂彎矩的較大值分布在結(jié)構(gòu)的邊緣處，較小值分布在結(jié)構(gòu)的中心處，樁頂剪力的較大值分布在結(jié)構(gòu)的角點(diǎn)處，較小值分布在結(jié)構(gòu)的中心處。

(5)雖然抗拔樁對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震性能有積極的作用，在動(dòng)力荷載下可以對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用，但其本身也會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩和剪力，這對(duì)抗拔樁本身的受力情況是不利的，所以有必要對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗拔樁進(jìn)行動(dòng)力分析計(jì)算。