砂卵石地層地鐵明挖車站動(dòng)力響應(yīng)分析

鹿江

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南　250022)

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砂卵石地層地鐵明挖車站動(dòng)力響應(yīng)分析

鹿江

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250022)

摘要：以某地鐵明挖車站為實(shí)例，結(jié)合車站砂卵石地層的地質(zhì)特色，采用MIDAS巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型，對(duì)車站結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析，并與車站結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算及反應(yīng)位移法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)此。結(jié)果表明：在砂卵石地層下，地鐵明挖車站結(jié)構(gòu)的正截面承載力配筋由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計(jì)算控制，抗震工況不起控制作用，在局部抗震薄弱部位需加強(qiáng)構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：明挖車站；砂卵石地層；地震波；動(dòng)力響應(yīng)分析

地下結(jié)構(gòu)已經(jīng)在城市軌道交通、地下綜合管廊、水利水電及國(guó)防等多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。最近國(guó)內(nèi)及國(guó)際地震災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)，大量的地下結(jié)構(gòu)及地下設(shè)施因地震造成了嚴(yán)重的破壞，特別是自1995年日本阪神地震以來，地下結(jié)構(gòu)的抗震安全可靠性越來越得到重視[1]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)軌道交通地下結(jié)構(gòu)的抗震分析已經(jīng)形成了國(guó)家規(guī)范，抗震設(shè)防地區(qū)的城市軌道交通結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，地下結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算分析已經(jīng)進(jìn)入了工程實(shí)際應(yīng)用階段。

目前地下結(jié)構(gòu)抗震問題的研究方法主要有地震觀測(cè)、試驗(yàn)研究和理論分析3種[2]。地震觀測(cè)是指通過實(shí)測(cè)地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的動(dòng)力特性來了解地下結(jié)構(gòu)的地震特點(diǎn)；試驗(yàn)研究分為人工震源試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，但通過試驗(yàn)很難反映出建構(gòu)筑物的非線性性質(zhì)和地基斷裂的特性；理論分析是通過數(shù)學(xué)、力學(xué)手段、有限元法等方法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，從而得出結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的地震反應(yīng)，例如靜力分析法、反應(yīng)位移法、動(dòng)力響應(yīng)法等，目前已經(jīng)成為地下結(jié)構(gòu)抗震分析的主要方法。本文以某地鐵明挖車站為例，結(jié)合車站砂卵石地層的地質(zhì)特色，采用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型[3]，對(duì)車站結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析，結(jié)合車站結(jié)構(gòu)的靜力分析、反應(yīng)位移分析的計(jì)算結(jié)果，得出車站抗震計(jì)算的控制工況。

1工程背景及地震波的選取

1.1工程背景

某明挖地鐵車站[4]為雙島四線換乘車站，站廳平行換乘，近期施工車站為地下雙層雙跨島式車站，車站寬21 m，高14 m，覆土厚度3.0 m，車站采用明挖法施工。車站總平面圖如圖1所示。

場(chǎng)區(qū)地層由上至下依次為雜填土層、黃土層、粉質(zhì)黏土層、砂卵石層。車站部分側(cè)墻及底板位于砂卵石層中，卵石層較厚，分布范圍廣，對(duì)車站結(jié)構(gòu)抗震及結(jié)構(gòu)分析影響較大，卵石層卵石粒徑較大，一般粒徑30～60 mm，局部達(dá)20 cm，充填砂土及少量黏性土，砂卵石地層對(duì)地震波的波形、頻率、波速、波幅都有一定的影響，在抗震參數(shù)選取時(shí)應(yīng)綜合考慮，巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。[5]

1.2地震波的選取

根據(jù)文獻(xiàn)[5-8]規(guī)定，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g(g為重力加速度)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.65 s，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。本工程選取3組超越概率10%的地震波進(jìn)行時(shí)程分析，并對(duì)地震波根據(jù)規(guī)范和場(chǎng)地特殊的砂卵石地層條件進(jìn)行調(diào)整[9-11]。3種地震波如圖2所示。

圖1　車站總平面圖

層號(hào)土類名稱密度/(103kg·m-3)靜止側(cè)壓系數(shù)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)基床系數(shù)/(MPa·m-1)垂直水平承載力/kPa①1素填土1.730.55⑦黃土1.910.39361412.117.7120⑧粉質(zhì)黏土1.940.40371518.218.0140⑧1砂卵石2.100.3313230.035.0300⑩1卵石2.100.3323060.070.0400粉質(zhì)黏土1.890.39391920.223.6160

a) 地震波1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b) 地震波2

c)地震波3圖2　路面時(shí)域模擬圖

在綜合考慮場(chǎng)地內(nèi)特殊的砂卵石地層地質(zhì)條件、水文、場(chǎng)區(qū)地震類別后，得出具體車站結(jié)構(gòu)水平向峰值加速度和反應(yīng)譜參數(shù)(阻尼比5%)如表2所示。

表2　車站結(jié)構(gòu)水平向峰值加速度和反應(yīng)譜參數(shù)

2計(jì)算模型的確定

采用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS建立三維有限元模型。在模型中，為避免應(yīng)力波在模型邊界上發(fā)生反射而使結(jié)果失真[12-13]，采用人工邊界進(jìn)行處理。粘彈性人工邊界可以方便地與有限元法結(jié)合使用，通過在有限元模型中人工邊界節(jié)點(diǎn)的法向和切向分別設(shè)置彈簧元件和阻尼元件來完成[14]，如圖3所示。在本模型中，巖土采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，巖土與結(jié)構(gòu)單元間通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合連接。土體采用四面體單元模擬，車站結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，車站柱和梁采用梁?jiǎn)卧M[15-20]，如圖4所示，分別對(duì)y方向(水平方向)的地震波1、地震波2、地震波3的3個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，本文選取對(duì)車站結(jié)構(gòu)影響較大的工況2進(jìn)行分析。

圖3　粘彈性人工邊界示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　計(jì)算模型

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1結(jié)構(gòu)位移

根據(jù)動(dòng)力計(jì)算模型，分析了在y方向地震荷載作用下模型及車站結(jié)構(gòu)的最大位移、層間位移如圖5、6(圖中單位為mm)和表3所示。

由圖5～ 6知，在地震過程中模型整體沿y正方向發(fā)生了移動(dòng)，最大位移為272.3 mm，主體與附屬結(jié)構(gòu)相接處頂板位移較大。對(duì)車站結(jié)構(gòu)兩橫斷面的位移進(jìn)行分析，獲得層間位移差，在y方向地震作用下結(jié)構(gòu)橫斷面最大位移差為2.376 4 mm，最大層間位移角為1/252 5，小于文獻(xiàn)[6]中的規(guī)定限值(1/250)。可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。

表3　y方向地震作用下層間位移差mm

圖5　模型最大位移圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　結(jié)構(gòu)最大位移圖

3.2結(jié)構(gòu)內(nèi)力

根據(jù)動(dòng)力計(jì)算模型，分析了在y方向地震荷載作用下車站結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力(彎矩、剪力、軸力)云圖如圖7～10所示(圖7單位為kN·m，圖8～10單位為kN)。

圖7　結(jié)構(gòu)彎矩圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　結(jié)構(gòu)軸力圖

圖9　結(jié)構(gòu)剪力圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖10　中柱軸力圖

由圖7～10知，y方向地震引起的最大結(jié)構(gòu)彎矩發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)開口位置頂板及底板角部，最大彎矩為726.1 kN·m；最大結(jié)構(gòu)軸力發(fā)生在出入口底板位置，最大軸力為1 582.3 kN；最大結(jié)構(gòu)剪力發(fā)生在主體結(jié)構(gòu)與出入口連接位置，最大結(jié)構(gòu)剪力為1 574.5 kN，可見，主體與附屬結(jié)構(gòu)(出入口、通道)連接部位為抗震薄弱部位，需采取加強(qiáng)措施。

3.3各計(jì)算工況組合對(duì)比

本文在對(duì)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震工況下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合車站靜力分析的基本組合與準(zhǔn)永久組合計(jì)算結(jié)果、車站抗震工況下的反應(yīng)位移法的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比如表4所示。

表4　各計(jì)算組合內(nèi)力值對(duì)比表

由表4可知，本明挖地鐵車站除框架柱外，各構(gòu)件正截面承載力配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計(jì)算控制，抗震工況不起控制作用。

4結(jié)論

1)在中震作用下，本明挖車站的結(jié)構(gòu)最大層間位移比均小于規(guī)范規(guī)定的1/250，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，構(gòu)件截面及配筋均滿足抗震計(jì)算要求。

2)各組合工況的計(jì)算是基于本站特殊的砂卵石地層條件，在力學(xué)參數(shù)的選取、地震波的確定、結(jié)構(gòu)模型的水土分算上都有體現(xiàn)，相較于巖石等硬質(zhì)地層，本站砂卵石地層對(duì)車站結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算有一定影響。

3)本明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)下的基本組合、準(zhǔn)永久組合、抗震工況組合下的反應(yīng)位移法、時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果表明：在砂卵石地層條件下，本明挖地鐵車站除框架柱外，各構(gòu)件正截面承載力配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計(jì)算控制，抗震工況不起控制作用，但在局部抗震薄弱部位(主體與附屬相接處、結(jié)構(gòu)斷面變化處、兩車站換乘通道處)需加強(qiáng)構(gòu)造措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭永來,楊林德,李文藝，等.地下結(jié)構(gòu)抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.

[2]于翔，陳啟亮，趙躍堂，等.地下結(jié)構(gòu)抗震研究方法及其現(xiàn)狀[J]．解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，1(5)：63-69.

YU Xiang, CHEN Qiliang, ZHAO Yuetang,et al.The status quo and methods of antiseismic research of underground structure[J].Journal of PLA University of Science and Technology，2000，1(5)：63-69.

[3]王樹仁,張海清.MIDAS/GTS-FLAC3D耦合建模新方法及其應(yīng)用[J]．土木建筑與環(huán)境工程，2010,32(1)：42-47.

WANG Shuren, ZHANG Haiqing.A coupling modeling method with MIDAS/GTS-FLAC3Dand its application[J]．Journal of Civil,Architectural & Environmental Engineering，2010,32(1)：42-47.

[4]山東省地震工程研究院.某城市軌道交通1號(hào)線地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[R].濟(jì)南：山東省地震工程研究院，2014.

[5]北京城建勘察設(shè)計(jì)研究院.某城市軌道交通1號(hào)線地質(zhì)勘察報(bào)告[R].北京：北京城建勘察設(shè)計(jì)研究院，2014.

[6]同濟(jì)大學(xué).GB 50909—2014城市軌道交通抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[7]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[8]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

[9]熊卓卓,丁海平.大型基礎(chǔ)等效輸入地震波研究[J]．世界地震工程，2009,25(3)：74-79.

XIONG Zhuozhuo, DING Haiping.Study of large scale foundation equivalent input seismic wave[J]．World Earthquake Engineering，2009,25(3)：74-79.

[10]薄景山,李秀領(lǐng),李山有,等.場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響研究的若干進(jìn)展[J]．世界地震工程,2003,19(3)：34-39.

BO Jingshan,LI Xiuling,LI Shanyou, et al.Some progress of study on the effect of site conditions on ground motion[J]．World Earthquake Engineering， 2003,19(3)：34-39.

[11]葉獻(xiàn)國(guó),周錫元.建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)簡(jiǎn)化分析方法的進(jìn)一步改進(jìn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003，23(2)：41-47.

YE Xianguo ，ZHOU Xiyuan. Further improvement of simplified analysis method for seismic response of building structures[J]. Journal of Hefei University of Technology (Natural Science Edition), 2003，23(2)：41-47.

[12]鄒炎.地鐵隧道地震反應(yīng)規(guī)律和震害機(jī)理研究[D]．哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2012.

ZOU Yan.Study on seismic response law and damage mechanism of subway tunnel[D]．Harbin: Institute of Engineering China Earthquake Administration, 2012.

[13]孫超,薄景山,齊文浩,等.地下結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀及展望[J]．世界地震工程，2009,25(2)：94-99.

SUN Chao,BO Jingshan,QI Wenhao, et al.Status and prospect of seismic research on underground structures[J]．World Earthquake Engineering，2009,25(2)：94-99.

[14]黃先鋒.地下結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算——位移響應(yīng)法[J]．鐵道建筑，1999(6)：3-7.

HUANG Xianfeng. Seismic calculation of underground structure——displacement response method[J]．Railway Engineering，1999(6)：3-7.

[15]林利民.大型城市地下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析[D]．大連：大連理工大學(xué)，2006.

LIN Limin.Dynamic response analysis of large city underground construction[D]．Dalian: Dalian University of Technology，2006.

[16]邊金.地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2006.

BIAN Jin.Seismic dynamic response of subway underground structure[D]．Beijing: Beijing University of Technology，2006.

[17]FISHMAN K L,MANDER J B, RICHARDS R, et al.Laboratory study of seismicfree-field response of sand[J].Soil Dynamic sand Earthquake Engineering,1995, 14(1):33-43.

[18]WILLIAMS M S, VILLEMURE I, SEXSMITH R G.Evalution of seismic damage indices for concrete elements loaded in combined shear and flexure[J].ACI Structural Journal, 1997, 94(3):315-322.

[19]王國(guó)波,馬險(xiǎn)鋒,楊林德,等.地鐵車站結(jié)構(gòu)三維地震響應(yīng)及非線性分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(2)：234-237.

WANG Guobo, MA Xianfeng, YANG Linde, et al. Analysis of three-dimensional seismic response of subway station structure and non-linear characteristic of soil[J]．Journal of Underground Space and Engineering，2008，4(2)：234-237.

[20]徐靜,董雁,李靜敏,等.有限元模型修正法在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，20(2):139-142.

XU Jing, DONG Yan, LI Jingmin, et al.Application of finite element model updating method in structural dynamic design[J]．Journal of Zhejiang Ocean University(Natural Science Edition)，2001，20(2):139-142.

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Dynamic Response Analysis of Open-Cut Metro Station in Sandy Gravel Stratum

LUJiang

(ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd.,Jinan250022,China)

Abstract:An open-cut metro station is taken as an example. Combining the geological characteristics of sand and cobble stratum of the station, the finite element software GTS of Midas tunnel in rock and soil is used to establish three-dimensional finite element model. Then, the dynamic response calculation and analysis on the structural seismic of station is conducted, together with the static calculation of the station structure and the calculation of the response displacement method. The results show that in sandy cobble stratum, the cross-section capacity-bearing reinforcement of the open-cut metro station structure is controlled by the crack calculation under the combined action of the quasi permanent load instead of the seismic conditions and that it is necessary to take some measures to strengthen the structure in the local seismic weak positions.

Key words:open-cut metro station；sand and gravel stratum；seismic wave；dynamic response analysis

中圖分類號(hào)：U231.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-0032(2016)01-0053-06

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.010

作者簡(jiǎn)介：鹿江(1986—)，男，山東肥城人，工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)，E-mail:425391721@qq.com.

收稿日期：2016-01-20