地鐵車站抗震設(shè)計(jì)分析

周 軍,劉昕銘

(中鐵二院，四川成都610031)

1 車站抗震設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

火車南站是成都地鐵1號(hào)線和7號(hào)線的換乘站。7號(hào)線部分車站全長(zhǎng)約186 m，公共區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)形式和地質(zhì)情況如圖1所示，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，明挖法施工。

1.2 抗震設(shè)防目標(biāo)

當(dāng)遭受低于本工程抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，地下工程不損壞，對(duì)周圍環(huán)境和市政設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)無(wú)影響；當(dāng)遭受相當(dāng)于本工程抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，地下工程不損壞或僅需對(duì)非重要結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行一般修理，對(duì)周圍環(huán)境影響輕微，不影響市政設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)；當(dāng)遭受高于本工程抗震設(shè)防烈度的罕遇地震(高于設(shè)防烈度1度)影響時(shí)，地下工程主要結(jié)構(gòu)支撐體系不發(fā)生嚴(yán)重破壞且便于修復(fù)，無(wú)重大人員傷亡，對(duì)周圍環(huán)境不發(fā)生嚴(yán)重影響，修復(fù)后市政設(shè)施可正常運(yùn)營(yíng)。

圖1 車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

1.3 抗震設(shè)防條件及標(biāo)準(zhǔn)

擬建場(chǎng)地位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)內(nèi)，地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期均為0.45 s。地下車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防分類為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級(jí)為三級(jí)。地震動(dòng)參數(shù)根據(jù)四川省地震局關(guān)于《成都地鐵7號(hào)線(第二階段 場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)確定)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》的批復(fù)采用。

2 車站抗震工況計(jì)算

2.1 荷載組合

車站抗震設(shè)計(jì)的工況組合如表1所示。

2.2 等效靜力法

2.2.1 計(jì)算方法選擇

地下結(jié)構(gòu)抗震理論分析方法有解析法、半解析法和數(shù)值方法，解析法中又有等效靜力法、反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法。抗震計(jì)算方法中，除等效靜力法外，其余方法的計(jì)算參數(shù)取值尚存在較多爭(zhēng)議。

等效靜力法是通過反應(yīng)譜理論將地震對(duì)建筑物的作用以等效荷載的方法來(lái)表示，基本思想是在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上，將地震作用簡(jiǎn)化為一個(gè)慣性力系附加在研究對(duì)象上。該方法能在有限程度上反映荷載的動(dòng)力特性，但不能反映各種材料自身的動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)物之間的動(dòng)力響應(yīng)，更不能反映結(jié)構(gòu)物之間的動(dòng)力耦合關(guān)系。該法優(yōu)點(diǎn)也很突出，它物理概念清晰，與全面考慮結(jié)構(gòu)物動(dòng)力相互作用的分析方法相比，計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量很小，參數(shù)易于確定，并積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，已編入《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。

表1 車站工況組合表

設(shè)計(jì)采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，按平面桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算，地震作用采用等效靜力法。結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 地震工況荷載

2.2.2 荷載計(jì)算

(1)永久荷載：頂板覆土20×1.05=21 kPa；設(shè)備荷載8 kPa；側(cè)向水土壓力取靜止水土壓力，水土分算；底板下水浮力205 kPa。

(2)可變荷載：地面超載20 kPa，人群荷載4 kPa。

(3)地震荷載計(jì)算：參照鐵路隧道結(jié)構(gòu)地震作用分析方法，地鐵車站可采用等效靜力法進(jìn)行地震作用分析。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111-2006)公式8.1.3計(jì)算車站水平地震力。

慣性力：F1=ηm1Ag/H

F2=ηm2Ag/B

Pi=ηmiAg

式中：η為水平地震作用修正系數(shù)，巖石地基取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為作用于各層板處慣性力；m1、m2為分別為側(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(dòng)峰值加速度；H、B為結(jié)構(gòu)高度、寬度。

本站ηc=0.25(非巖石地基取值)；Ag地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g；H為墻高22.15；m1為墻的質(zhì)量，本站側(cè)墻厚800 mm，頂板厚800 mm，中板400 mm,底板1 200 mm,覆土1.05 m；中板設(shè)備荷載8 kPa，裝修荷載3.3 kPa按每1 m長(zhǎng)度計(jì)算側(cè)墻水平地震力(均布荷載)。

F1=0.5 kN/m；F2=1.025 kN/m；P1=24.78 kN

P2=18.819 kN；P3=19.48 kN；P4=28.02 kN

由于地震引起的主動(dòng)側(cè)向土壓力增量：7度地震區(qū)β=2°30′，γ為計(jì)算點(diǎn)以上土的加權(quán)平均天然重度。頂板處φ=10°，γ=18.5；中板處φ=30°，γ=20；底板處φ=40°，γ=22。

頂板處φe=φ-β=10°-2.5°=7.5°；γE=γ/cosβ=18.5

中板處φe=φ-β=30°-2.5°=27.5°;γE=γ/cosβ=20

底板處φe=φ-β=40°-2.5°=37.5°;γE=γ/cosβ=22

△ei=(λa′-λa)qi

頂板處：

△ei={tan2[45-(φ-β)/2]-tan2(45-φ/2)}×γh

={tan2[45-(10-2.5)/2]-tan2(45-10/2)}×18.5×1.05=1.283 kN/m2

中板處：

△ei={tan2[45-(φ-β)/2]-tan2(45-φ/2)}×γh

={tan2[45-(30-2.5)/2]-tan2(45-30/2)}×20×6.8=4.76 kN/m2

底板處：

△ei={tan2[45-(φ-β)/2]-tan2(45-φ/2)}×γh

={tan2[45-(40-2.5)/2]-tan2(45-40/2)}×22×23.2=13.27 kN/m2

取1 m寬計(jì)算時(shí)各點(diǎn)主動(dòng)側(cè)向土壓力增量分別為：

頂板處：△ei=1.283 kN/m

中板處：△ei=4.76 kN/m

底板處：△ei=13.27 kN/m

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

抗震工況彎矩如圖3所示。

圖3 彎矩圖

3 抗震構(gòu)造要求

計(jì)算分析表明，由于結(jié)構(gòu)周邊土體的約束作用，地震力對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響較小。由于構(gòu)件計(jì)算中，地震組合工況僅進(jìn)行強(qiáng)度檢算，而地鐵車站在其他工況計(jì)算時(shí)，構(gòu)件計(jì)算主要由裂縫檢算來(lái)控制。因此，地震作用工況對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)為非控制工況，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需按規(guī)范滿足抗震構(gòu)造要求，車站設(shè)計(jì)中的錨固有6種，具體如圖4～圖9所示。

圖4 中間層端間節(jié)點(diǎn)梁錨固

圖5 頂層中間節(jié)點(diǎn)柱錨固

圖6 中間層中間節(jié)點(diǎn)梁錨固

圖7 中間層中間節(jié)點(diǎn)梁在節(jié)點(diǎn)外搭接

圖8 頂層端節(jié)點(diǎn)外側(cè)彎折搭接

圖9 頂層端節(jié)點(diǎn)外側(cè)直線搭接

4 車站結(jié)構(gòu)的地震破壞形式和設(shè)計(jì)對(duì)策

地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因不僅僅是慣性,還有地基應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變，并且地質(zhì)情況不同，車站深度和埋深不同，地下結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)的剛度也不同,地震波場(chǎng)也不同，地下結(jié)構(gòu)周圍波場(chǎng)難以確定。因此，現(xiàn)有理論難以準(zhǔn)確地計(jì)算出地震對(duì)結(jié)構(gòu)的受力數(shù)據(jù)大小，但可以從震害破壞特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)。

4.1 汶川大地震破壞形式和設(shè)計(jì)對(duì)策

“5·12”汶川大地震發(fā)生時(shí)，成都地鐵1號(hào)一期工程18個(gè)車站主體結(jié)構(gòu)都基本完成。汶川大地震為里氏8.0級(jí)，震中映秀位于成都西北方向，距離成都約70 km。由于成都距離震中較遠(yuǎn)，地震烈度尚未達(dá)到設(shè)防烈度，所以車站主體結(jié)構(gòu)基本完好，但個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)裂縫。

(1)車站側(cè)墻豎向裂縫。某站車站地下一層側(cè)墻出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫寬0.1～0.5 mm、長(zhǎng)1.2～5.0 m，裂縫滲水，如圖10所示。從產(chǎn)生裂縫可以看出，地鐵車站是長(zhǎng)寬大的建筑，沿車站縱向結(jié)構(gòu)因地質(zhì)等原因可能會(huì)產(chǎn)生不同大小的應(yīng)力應(yīng)變。因此，當(dāng)車站地質(zhì)復(fù)雜，尤其存在軟弱地層且厚度不均的時(shí)候，需要加強(qiáng)地下一層構(gòu)造配筋含鋼量。

(2)變形縫、施工縫漏水開裂。某站變形縫和施工縫開裂漏水，止水帶破壞，如圖11所示。為了方便施工，設(shè)計(jì)中常采用剛性的止水條，車站設(shè)計(jì)中盡量采用復(fù)合材料止水，且盡量采用誘導(dǎo)縫來(lái)代替變形縫。

圖10 側(cè)墻開裂

圖11 變形縫開裂

4.2 阪神大地震破壞形式和設(shè)計(jì)對(duì)策

當(dāng)?shù)罔F車站遭受到高于設(shè)防烈度的地震時(shí)，地鐵車站最先遭受嚴(yán)重破壞是柱子。日本“阪神大地震”地震規(guī)模為里氏7.3級(jí)，震中距離神戶市23 km，神戶市大開車站嚴(yán)重破壞，柱剪切破壞如圖12所示，柱壓碎破壞圖13所示。大開車站柱子破壞嚴(yán)重的部位并非覆土厚、豎向靜載大的柱子。由于覆土小，柱子豎向力小，柱截面較小，柱子箍筋間距較大，整個(gè)地鐵車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了抗震薄弱位置。因此，設(shè)計(jì)中不應(yīng)出現(xiàn)柱子截面較大變化，且在靜載計(jì)算基礎(chǔ)上適當(dāng)加大柱子截面，減小剪切破壞的可能性；并應(yīng)加強(qiáng)柱箍筋配置，減小出現(xiàn)壓碎破壞的可能性。

圖12 柱剪切破壞

5 結(jié)論及建議

通過計(jì)算和分析地震破壞，在多遇地震和設(shè)防地震時(shí)，地震工況不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)采用合理抗震構(gòu)造措施，并結(jié)合地質(zhì)和結(jié)構(gòu)情況合理加強(qiáng)特殊部位，可以達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。為了減小罕遇地震災(zāi)害，需加強(qiáng)柱子這一抗震薄弱環(huán)節(jié)，在靜載模擬計(jì)算結(jié)果下適當(dāng)加大柱子截面和增加柱箍筋。

地鐵車站抗震研究眾多理論還存在爭(zhēng)議，尚不具備列入規(guī)范的條件。眾多計(jì)算方法因設(shè)計(jì)參數(shù)的取值而結(jié)果差異較大。建議在進(jìn)行地鐵車站抗震設(shè)計(jì)時(shí)，以概念設(shè)計(jì)為主，理論計(jì)算為輔，重點(diǎn)解決抗震薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造措施。

圖13 柱壓碎破壞

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