任一恒

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州）

前言

地下車站作為一種復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，面臨著地震等多種自然災(zāi)害的威脅。結(jié)構(gòu)形式對(duì)地下車站的抗震性能具有非常重要的影響。首先，地下車站的結(jié)構(gòu)形式直接決定了其抗震能力。不同的結(jié)構(gòu)形式具有不同的剛度和耗能能力，而這些性能直接關(guān)系到車站在地震發(fā)生時(shí)的受力性能。例如，拱形結(jié)構(gòu)相較于框架結(jié)構(gòu)可以更好地吸收地震產(chǎn)生的側(cè)向位移，從而減少地震損傷，而一般框架車站的側(cè)向剛度相對(duì)較低，容易發(fā)生側(cè)向變形和倒塌。因此，在地下車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同的地震區(qū)域和地質(zhì)條件，選用合適的結(jié)構(gòu)形式，以保證車站的抗震能力。

在地下車站的結(jié)構(gòu)形式抗震措施的研究過(guò)程中，專家及學(xué)者都針對(duì)地下車站的抗震性能做了很多研究，并得出拱形結(jié)構(gòu)截面有助于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能的結(jié)論。賈聿頡[1]等人提出，受車站異形結(jié)構(gòu)的影響，主體結(jié)構(gòu)的變形和受力均產(chǎn)生了一定程度上向結(jié)構(gòu)外延長(zhǎng)端轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)；楊善統(tǒng)[2]提出，大跨度無(wú)柱車站的內(nèi)力整體上都要明顯大于相同斷面形狀的常規(guī)有柱車站。該研究結(jié)論可為無(wú)柱大跨度地鐵車站的抗震設(shè)計(jì)提供了有益的參考；劉庭金[3]指出，頂板變截面式與預(yù)制裝配式拱形結(jié)構(gòu)分別為目前矩形和拱形大跨度無(wú)柱地鐵車站結(jié)構(gòu)型式中的最優(yōu)選項(xiàng)。

綜上所述，無(wú)柱拱形地下車站或異形地下車站，在抗震作用下具有以下劣勢(shì)：在地震荷載作用下容易產(chǎn)生局部集中荷載，可能導(dǎo)致局部的破壞或者倒塌。相對(duì)而言，一般框架車站的側(cè)向剛度相對(duì)較低，面內(nèi)受力特性好，結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)受力均勻，站廳層的結(jié)構(gòu)柱能夠有效地分散地震作用力，減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1 模型建立與條件假設(shè)

1.1 數(shù)值模擬軟件選取

三維分析軟件是土木工程等領(lǐng)域常用的有限元分析軟件，可以處理各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型，如非線性分析、動(dòng)力分析等，可以模擬地震等多種工況；同時(shí)可模擬各種不同材料的特性，如鋼材、混凝土、土壤等；以及靜力分析、動(dòng)力分析等多種分析方法，可以滿足各種抗震需求；三維分析軟件的后處理功能非常強(qiáng)大，可以對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理，如生成各種圖表、動(dòng)畫等，方便用戶分析和理解分析結(jié)果。

本次研究采用時(shí)程法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，時(shí)程法是一種常用的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法，也稱作“地震時(shí)程分析”或“地震動(dòng)力分析”。它以地震作用的時(shí)程作為荷載，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，來(lái)分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，并利用數(shù)值分析方法求解結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，包括加速度、速度、位移等動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，可以評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性和可靠性，以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固措施的優(yōu)化。與傳統(tǒng)的靜力分析方法相比，時(shí)程法能夠更加全面、準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)特性，尤其對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)的抗震分析更加適用。

1.2 工程項(xiàng)目概況

本文依托深圳地鐵3 號(hào)線坪地六聯(lián)站工程，坪地六聯(lián)站為深圳市城市軌道交通3 號(hào)線四期工程項(xiàng)目自南向北的第7 座車站，為終點(diǎn)站。車站為地下雙側(cè)式2 層雙跨車站，局部為負(fù)一層無(wú)柱，無(wú)柱段結(jié)構(gòu)凈距為22 m，車站頂板覆土約為3.7 m 左右，車站平面布置情況如圖1 所示。對(duì)于淺埋地下工程結(jié)構(gòu)而言，一般在使用階段下受到外載作用最大。針對(duì)近期使用和遠(yuǎn)期使用階段，采用SAP84 分別計(jì)算分析車站主體結(jié)構(gòu)的受力特性。

圖1 3 號(hào)線坪地六聯(lián)站平面

主體結(jié)構(gòu)計(jì)算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用荷載－結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)SAP84 結(jié)構(gòu)分析通用程序進(jìn)行內(nèi)力分析。遠(yuǎn)期使用階段采用水土分算的原則確定水土壓力。

按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，荷載組合效應(yīng)取“基本組合”，即永久荷載組合系數(shù)為1.35，可變荷載為1.5。

按照原車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立坪地六聯(lián)站三維模型，從小里程到大里程為站廳層公共區(qū)無(wú)柱，設(shè)備區(qū)或單柱雙跨或雙柱三跨結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。由于車站結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不宜再采用平面模型進(jìn)行分析，需要建立三維空間模型，真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)。

運(yùn)用時(shí)程分析方法，建立“地層-結(jié)構(gòu)”模型，把地震運(yùn)動(dòng)視為一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程，并將地下結(jié)構(gòu)物和周圍土體介質(zhì)視為共同受力變形的整體，通過(guò)直接輸入地震加速度記錄，在滿足變形協(xié)調(diào)的前提下分別計(jì)算結(jié)構(gòu)物和土體介質(zhì)在各個(gè)時(shí)刻的位移，速度，加速度以及應(yīng)變和內(nèi)力，據(jù)以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。

本章針對(duì)坪地六聯(lián)站，使用軟件進(jìn)行三維建模，采用時(shí)程分析法計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震下的變形及內(nèi)力。根據(jù)計(jì)算分析需要，模型的尺寸X*Y*Z=650 m*220 m*28 m，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)340 908個(gè)，單元數(shù)306 542 個(gè)，如圖2、圖3 所示。模型中，土體采用六面體單元模擬，車站主體結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬，車站梁、柱采用梁?jiǎn)卧M，維護(hù)鉆孔灌注樁等效為地連墻采用板單元進(jìn)行模擬。

圖2 車站周邊土層模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖3 車站模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

1.3 條件假設(shè)

本文為簡(jiǎn)化模型及減少計(jì)算量，對(duì)模型的建立及分析提出以下假定：

（1）模型初始地應(yīng)力平衡只考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；

（2）依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，近似認(rèn)為地面為平面，忽略地形起伏的影響；

（3）地下水位位于場(chǎng)坪標(biāo)高1 m 以下，土體加權(quán)容重按飽和土計(jì)算。

根據(jù)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 51336-2018）規(guī)定，對(duì)于以下結(jié)構(gòu)除應(yīng)進(jìn)行水平地震作用計(jì)算外，尚宜考慮豎向地震作用：

（1）結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、體形不規(guī)則以及結(jié)構(gòu)斷面變化大、結(jié)構(gòu)斷面顯著不對(duì)稱的地下單體結(jié)構(gòu)；

（2）大跨度結(jié)構(gòu)或淺埋大斷面結(jié)構(gòu)；

（3）在結(jié)構(gòu)頂板、樓板上開(kāi)有較大孔洞，形成大跨懸臂構(gòu)件；

（4）豎向地震作用效應(yīng)很重要的其他結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)抗震模擬計(jì)算

2.1 車站抗震計(jì)算輸入條件

根據(jù)動(dòng)力時(shí)程分析中結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的分布規(guī)律，選擇車站主體結(jié)構(gòu)上3 個(gè)橫斷面進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果考察，截面a 為站廳層無(wú)柱小跨度斷面，截面b 為站廳層雙柱三跨斷面，截面c 為站廳層帶外掛通道斷面。

坪地六聯(lián)站存在斷面變化大以及大跨度斷面的情況，應(yīng)計(jì)算豎向地震作用，因此擬定3 組地震波均分別以沿Z 軸、Z 軸與Y 軸為同時(shí)施加地震作用，共6 個(gè)工況（見(jiàn)圖4～圖6）。

圖4 荷載工況1

圖5 荷載工況2

圖6 荷載工況3

2.2 各工況下抗震結(jié)果計(jì)算研究

2.2.1 結(jié)構(gòu)水平位移最大值

在工況1 至工況3 中，即結(jié)構(gòu)在Z 方向地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)Z 方向相對(duì)基巖水平位移最大值分別為11.89 mm、12.91 mm、12.39 mm。水平位移最大值位置發(fā)生在坪地六聯(lián)車站站廳層大跨區(qū)頂板上，同時(shí)頂?shù)装寰哂邢喾捶较虻倪\(yùn)動(dòng)。

2.2.2 斷面層間位移角

考察地震荷載1～3 作用下，斷面a、b、c 中頂、底板位移差的時(shí)程曲線，結(jié)果如下：在Z 方向地震作用下，斷面a～斷面c 最大層間位移差為8.11 mm，層間位移角最大值為1/1887 層間位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各個(gè)工況車站主體結(jié)構(gòu)各橫斷面的頂板與底板層間位移差和位移角統(tǒng)計(jì)值可知，斷面a～斷面c 最大層間位移差為8.42 mm，層間位移角最大值為1/1818，層間位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各個(gè)工況車站主體結(jié)構(gòu)樓板最大豎向撓度統(tǒng)計(jì)值可知，坪地六聯(lián)站最大豎向位移出現(xiàn)在站廳層大跨斷面頂板處，短向跨度為22 m，最大豎向位移為29.2 mm，撓度最大值為1/752，撓度均小于限值。

2.2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

研究發(fā)現(xiàn)，在Z 向地震動(dòng)作用和Z、Y 雙向地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)的彎矩都沒(méi)有發(fā)生明顯的突變。針對(duì)結(jié)構(gòu)3 個(gè)斷面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面彎矩提取，給出了工況1～6同樣位置點(diǎn)處的彎矩，綜合3 個(gè)斷面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 斷面a 關(guān)鍵位置彎矩統(tǒng)計(jì)（單位：kN·m）

表2 斷面b 關(guān)鍵位置彎矩統(tǒng)計(jì)（單位：kN·m）

表3 斷面c 關(guān)鍵位置彎矩統(tǒng)計(jì)（單位：kN·m）

2.2.4 結(jié)果小結(jié)

Z 方向地震動(dòng)作用下，坪地六聯(lián)站結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.11 mm和1/1887；Z、Y 雙向地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.42 mm 和1/1818，層間位移角遠(yuǎn)小于1/550。

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，相同的地震作用下，雙柱三跨截面的最大彎矩為694 kN·m，而大跨度無(wú)柱車站彎矩為2 350 kN·m，且雙柱三跨車站的層間位移為6.71 mm，而無(wú)柱車站位移為8.11 mm。這表明，在地震作用下，無(wú)柱大跨度截面范圍結(jié)構(gòu)受力更大，且其層間位移也更大。由結(jié)果可知，在地震作用下，雙柱三跨車站，其兩個(gè)柱子可以共同承擔(dān)地震荷載，而柱子之間的連梁可以協(xié)同工作，從而形成一種“框架”的結(jié)構(gòu)體系，增強(qiáng)了車站的整體穩(wěn)定性。但是，在車站的橫向地震作用下，柱子的抗震性能不如墻體，這可能是雙柱三跨斷面彎矩較小的原因之一。相比之下，無(wú)柱大跨度車站更偏重功能性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其采用了懸挑式結(jié)構(gòu)，通過(guò)大跨度的無(wú)柱站廳層和外掛支撐體系將地震荷載分散到整個(gè)車站結(jié)構(gòu)中，提高了車站的整體抗震能力。但是，由于該結(jié)構(gòu)缺乏柱子的支撐，在地震作用下可能會(huì)出現(xiàn)較大的位移。

總之，二者在地震作用下的表現(xiàn)及其原因與其結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，需要綜合考慮各種因素，以制定合理的抗震設(shè)計(jì)方案，以確保地下車站在地震作用下的安全可靠性。異形結(jié)構(gòu)地下車站的頂板采用拱形或者負(fù)一層設(shè)置外掛通道，可以使車站的整體結(jié)構(gòu)更加牢固穩(wěn)定，具有更好的抗震性能。拱形頂板的曲率半徑比較大，可以分散地震作用下的應(yīng)力，減少車站結(jié)構(gòu)的變形和破壞。同時(shí)，外掛通道可以分擔(dān)地震作用下車站結(jié)構(gòu)的受力，進(jìn)一步增強(qiáng)車站的抗震能力。