軌道交通地下三層車站結構抗震分析

李志波,薛尚鈴,周海鷹,余 超

(中冶賽迪工程技術股份有限公司,重慶400013)

隨著城市軌道交通的快速發展，軌道交通地下車站也大量建設。地下工程結構靜力荷載普遍較大，結構設計往往偏于保守，加上地震作用時有土體的約束作用，因此一般認為地下工程結構普遍具有優于地面結構的抗震性能和安全度。目前地震區軌道交通地下車站結構抗震主要依據《鐵路工程抗震設計規范》和《建筑抗震設計規范》進行設計。很多低烈度區的地下結構甚至并不進行地震計算，僅從構造措施上進行加強。

1995年阪神地震中，未進行抗震設計的神戶大開地鐵車站在地震中中柱垮塌造成地面塌陷；2008年汶川地震中，紫坪鋪重載公路的龍池隧道中部深埋部分中接縫拱起破壞，分析原因是由于沒有設置仰拱，結構不封閉，使深埋隧道底部產生擠壓破壞。隨著人們對地震作用認識的不斷加深，特別是地震工程經驗的不斷積累，地下工程結構的抗震設計越來越受到重視。2011年建設部發布了《市政公用設施抗震設防專項論證技術要點(地下工程篇)》，對于建筑面積超過10 000 m2的城市軌道交通地下車站工程，明確要求進行專門的抗震設防設計和論證，以確保地下車站的抗震性能滿足要求。

1 工程概況

重慶市軌道交通三號線北延伸段空港廣場車站為地下三層側式站臺車站。車站主體部分建筑面積為10 269 m2，采用三層二跨現澆鋼筋混凝土框架結構，采用明挖法施工。車站主體結構設計使用年限100年；安全等級為一級；抗震設防烈度為6度，設計地震分組第一組，設計基本地震加速度值為0.05 g，按7度采取抗震措施，地下結構抗震等級為三級；車站結構按6級人防設防；車站場地類別為Ⅲ類，為抗震一般地段。

車站結構總寬度為23.35 m，總高度23.95 m，其中負一層高6.95 m，負二層高7.15 m，底層高9.85 m,頂板上覆土厚為3.513 m。頂板厚度800 mm，中板厚度400 mm，底板厚度1 000 mm，側墻厚度900 mm，中柱900 mm×1 200 mm間距8 m。車站結構中柱混凝土采用C50，其余均采用C35混凝土。

空港廣場站結構抗震設防分類為重點設防類(乙類)，抗震設防目標為：在多遇地震作用和設計地震作用下，結構不破壞或輕微破壞，能保持正常使用功能，結構處于彈性工作階段，不會因結構的變形導致軌道的過大變形而影響行車安全；在罕遇地震作用下，結構可能破壞，經修補短期內能恢復正常使用功能，允許結構局部進入彈塑性工作階段。

空港廣場站結構簡圖、地質情況和荷載布置見圖1、圖2。

圖1 車站結構簡圖及地層布置

圖2 車站計算斷面荷載布置

2 車站結構抗震分析

空港廣場站為分布均勻、規則且具有對稱軸的縱向較長的地下結構，按照《鐵路工程抗震設計規范》和《建筑抗震設計規范》的相關規定，可以采用等效靜力法(擬靜力法)進行結構抗震設計。

抗震分析采用MIDAS/GEN Ver7.80程序，對車站結構標準斷面的內力進行平面二維分析計算。其地震作用工況荷載如圖3。

圖中慣性力：

F1=ηm1Ag/HF2=ηm2Ag/BPi=ηmiAg

圖3 地震等效靜力法圖示

式中：η為水平地震作用修正系數，巖石地基取值0.2，非巖石地基取值0.25;F1為側墻自重慣性力；F2為頂板覆土自重(包括地面超載)慣性力;Pi為作用在各層板處的慣性力;m1、m2分別為側墻、上覆土(等效)質量;mi為各層板(含本層梁及上下各半層柱)自重(包括活載);Ag為地震動峰值加速度;H、B為結構高度、寬度。

經計算：

F1=0.45；F2=1.4 ；P1=9.28；P2=4.98；P3=5.04；P4=11.5；△e=1.39～10.87

豎向基床系數取Kv=50×104kN/m3，水平向基床系數取Kh=12×104kN/m3。

荷載組合根據《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2001)(2006年版)、《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)、《軌道交通工程人民防空設計規范》(RFJ 02-2009)的規定及可能出現的最不利情況確定，組合類型如：永久荷載的組合、永久荷載+可變荷載組合、永久荷載+人防荷載組合、永久荷載+可變荷載+地震荷載組合。荷載組合系數見表1。

表1 荷載工況組合及分項系數表

注：當永久荷載為有利荷載時，組合系數取1.0；當可變荷載為有利荷載時，不計入荷載組合；恒載控制的基本組合可變荷載組合系數取0.7，準永久組合可變荷載的準永久組合系數取0.8。

在不同的荷載工況下，車站主體結構內力見圖4～圖12。

圖4 基本組合(彎矩)

圖5 人防組合(彎矩)

圖6 罕遇地震組合(彎矩)

圖7 基本組合(軸力)

圖8 人防組合(軸力)

圖9 罕遇地震組合(軸力)

圖10 基本組合(剪力)

圖11 人防組合(剪力)

圖12 罕遇地震組合(剪力)

圖13 罕遇地震組合(位移)

在罕遇地震作用下，結構層間最大水平位移0.011 8 m，最大層間位移角為1/555，滿足設計變形要求(圖13)。

在罕遇地震作用下，結構正截面受彎承載力驗算見表2。

表2 正截面受彎承載力驗算

從計算結果可知，在罕遇地震作用下，構斷面尚未達到最大承載能力極限狀態，結構仍處在彈性工作狀態。由于地下車站兼具防空功能，人防級別較高，地震荷載并非最不利控制荷載，結構的最不利工況組合為人防組合。

最不利工況下中柱軸壓比(中柱900 mm×1 200 mm，C50fc=23.1 N/mm2)：

2314×1000×8/(23.1×900×1200)=0.74<0.8,滿足抗震設計要求。

3 結論

空港廣場站在罕遇地震作用下，結構斷面尚未達到最大承載能力極限狀態，結構仍處在彈性工作狀態。由于地下車站兼具防空功能，人防級別較高，結構斷面也相對較大。在地震設防烈度較低的地區地震荷載往往并非最不利控制荷載，結構的最不利工況組合為人防組合。結構設計時，應對兩種工況組合進行計算分析，確定結構的最不利受力狀態。

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