軌道交通地下三層車站結(jié)構(gòu)抗震分析

李志波,薛尚鈴,周海鷹,余 超

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶400013)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，軌道交通地下車站也大量建設(shè)。地下工程結(jié)構(gòu)靜力荷載普遍較大，結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)普遍具有優(yōu)于地面結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全度。目前地震區(qū)軌道交通地下車站結(jié)構(gòu)抗震主要依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計。很多低烈度區(qū)的地下結(jié)構(gòu)甚至并不進行地震計算，僅從構(gòu)造措施上進行加強。

1995年阪神地震中，未進行抗震設(shè)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(shè)置仰拱，結(jié)構(gòu)不封閉，使深埋隧道底部產(chǎn)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(jīng)驗的不斷積累，地下工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計越來越受到重視。2011年建設(shè)部發(fā)布了《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項論證技術(shù)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(shè)防設(shè)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(cè)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(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工。車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100年；安全等級為一級；抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組第一組，設(shè)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(jié)構(gòu)抗震等級為三級；車站結(jié)構(gòu)按6級人防設(shè)防；車站場地類別為Ⅲ類，為抗震一般地段。

車站結(jié)構(gòu)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(cè)墻厚度900 mm，中柱900 mm×1 200 mm間距8 m。車站結(jié)構(gòu)中柱混凝土采用C50，其余均采用C35混凝土。

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

空港廣場站結(jié)構(gòu)簡圖、地質(zhì)情況和荷載布置見圖1、圖2。

圖1 車站結(jié)構(gòu)簡圖及地層布置

圖2 車站計算斷面荷載布置

2 車站結(jié)構(gòu)抗震分析

空港廣場站為分布均勻、規(guī)則且具有對稱軸的縱向較長的地下結(jié)構(gòu)，按照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，可以采用等效靜力法(擬靜力法)進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

抗震分析采用MIDAS/GEN Ver7.80程序，對車站結(jié)構(gòu)標準斷面的內(nèi)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(shù)，巖石地基取值0.2，非巖石地基取值0.25;F1為側(cè)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(cè)墻、上覆土(等效)質(zhì)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(jié)構(gòu)高度、寬度。

經(jīng)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(shù)取Kv=50×104kN/m3，水平向基床系數(shù)取Kh=12×104kN/m3。

荷載組合根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)(2006年版)、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)、《軌道交通工程人民防空設(shè)計規(guī)范》(RFJ 02-2009)的規(guī)定及可能出現(xiàn)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(shù)見表1。

表1 荷載工況組合及分項系數(shù)表

注：當永久荷載為有利荷載時，組合系數(shù)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(shù)取0.7，準永久組合可變荷載的準永久組合系數(shù)取0.8。

在不同的荷載工況下，車站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)計變形要求(圖13)。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)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(jié)果可知，在罕遇地震作用下，構(gòu)斷面尚未達到最大承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍處在彈性工作狀態(tài)。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(jié)構(gòu)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(shè)計要求。

3 結(jié)論

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

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