大跨度Y形柱地鐵車站結構地震反應研究1)

陶連金劉春曉邊 金吳秉林李積棟許有俊

?(北京工業大學土木工程學院城市與工程安全減災省部共建教育部重點試驗室，北京100124)

?(廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524088)

??(舟山市規劃建筑設計研究院,浙江舟山316000)

??(中國建筑總公司技術中心，北京101300)

???(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內蒙古包頭014010)

大跨度Y形柱地鐵車站結構地震反應研究1)

陶連金?,2)劉春曉?邊 金?吳秉林?李積棟?許有俊??

?(北京工業大學土木工程學院城市與工程安全減災省部共建教育部重點試驗室，北京100124)

?(廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524088)

??(舟山市規劃建筑設計研究院,浙江舟山316000)

??(中國建筑總公司技術中心，北京101300)

???(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內蒙古包頭014010)

隨著地鐵建設的發展，出現了一種新型的結構形式—大跨度Y形柱地鐵車站結構，與現有的地鐵車站結構完全不同，其空間高大寬敞，環境舒適.為研究該新型地鐵車站結構的抗震性能，以北京地鐵6號線新華大街站為工程背景，使用FLAC3D軟件建立土與地下結構三維有限差分動力模型，模擬其在新華大街人工波作用下的響應過程，重點分析了車站Y形柱和側墻的加速度、位移、應變的規律，并與試驗結果進行了對比分析，結果表明：數值模擬與振動臺試驗結果基本一致，體現出了相似的規律性；Y形柱加速度最大位置出現于柱頂端稍下位置，并非于柱頂端；Y形柱分叉位置處應變出現突變，此點相對于柱底的位移最大，且變化率較大，是抗震設計中需要加強的部位；Y形柱加速度、位移變化都會大于側墻.上述研究成果對提高該類地鐵車站結構抗震性能的認識及抗震設計水平提供了合理的參考與指導.

Y形柱，地鐵車站，振動臺試驗，地震反應

引言

隨著城市軌道交通的快速發展，對地鐵車站和區間隧道斷面結構形式及結構特色提出了新的要求.大跨度、高斷面、寬柱距、異形柱等各種特色的地下結構形式將陸續出現，以滿足人們對城市地下結構實用、美觀等多方位的需求，這對地下結構的抗震性能也提出了更高的要求.

近年來，國內外開展的地鐵結構的抗震性能研究，多集中于研究典型標準斷面形式的車站結構和區間隧道，對于大跨度地鐵車站的研究，大部分以矩形斷面的框架結構為研究對象[1-3]，針對大型復雜地鐵車站結構形式的地震響應的研究較少.普遍認為，大跨度、高斷面、寬柱距、異形柱的大型復雜結構在強震作用下較標準的結構更易破壞，其具體抗震性能以及同普通矩形框架結構的抗震性能的差異亟待研究.

目前關于地下結構抗震性能的研究手段主要有振動臺試驗和數值模擬.凌道盛等[4]開展了地下結構地震破壞離心機振動臺試驗，研究了地震作用下地鐵車站的破壞過程和破壞模式.莊海洋等[3]對上層為五跨和下層為三跨的大型地鐵車站結構的抗震性能進行了數值計算分析；宮必寧等[4-8]進行了土與地下結構大型振動臺試驗；也有人將數值模擬和模型試驗相結合，葉道奎等[9-11]以振動臺試驗資料為基礎，對單一地鐵車站結構大型振動臺模型試驗進行數值模擬，并與大型振動臺模型試驗結果進行了比較，很好地驗證了兩者的結論；陶連金等[12-16[17-21]對液化場地下結構抗震性能進行了研究.但是，這些研究對象都是常規的矩形地下結構或圓形盾構隧道.

振動臺試驗可以直接研究地下結構的地震反應，但是限于試驗條件，有些數據難于測得，而且由于振動臺本身的局限性，模型按照比例縮小后不可能完全滿足相似條件，從而造成試驗誤差.數值模擬沒有尺寸上的限制，可以對模型試驗結果起到補充作用.數值模擬和模型試驗的對比研究既可以驗證計算模型的合理性，同時也能驗證模型試驗方案的可行性及試驗結果的可靠性，具有重要的意義[10].

本項研究將以北京地鐵6號線新華大街站為對象，以大跨度、高斷面、寬柱距、異形柱地下車站大型振動臺試驗為基礎，基于FLAC3D軟件，建立土與地鐵車站結構非線性動力相互作用的三維有限元分析模型，對新華大街站不同峰值人工波作用下土與地鐵車站結構體系進行數值模擬，并與文獻[22]中的試驗結果進行對比分析，以揭示大跨度淺埋Y形柱地鐵車站的地震響應規律.

1 工程背景

新華大街站為北京地鐵6號線快慢線中轉換乘站，位于北京通州城市中心地帶，地處北京平原區，位于抗震設防烈度8度區內，設計地震分組為第一組，地震動峰值加速度值為0.20g.公共區采用Y形柱受力體系，Y形鋼管柱上部采用鑄鋼形式，下部采用鋼管形式，鋼管及鑄鋼內部采用C50微膨脹混凝土填充.車站局部中板開放形成中庭式建筑效果，單層車站結構寬度為41.9m，高19.3m，分叉點跨度10.988m，邊墻厚度1.5m，具有空間高、柱距大的特點，車站頂板覆土厚度為3m，車站效果圖和橫截面尺寸圖以及縱斷面尺寸如圖1和圖2所示.

圖1 車站效果圖Fig.1 Design sketch of station

2 振動臺試驗

在北京工業大學的地震模擬振動臺上進行了幾何比例為 1：50的地鐵地下車站結構模型試驗 (見圖 3).模型箱采用層狀柔性剪切箱，箱體尺寸為2.5m×1.5m×1.2m，采用北京地鐵6號線新華大街站施工基坑現場的粉細砂作為試驗土，試驗方案與測試結果詳見文獻[22].傳感器在相應工況下的布設位置及加載方向如圖4所示

圖2 車站結構橫斷面尺寸Fig.2 Station cross-sectional dimension

圖3 振動臺加載方向及車站位置Fig.3 Loading-direction of shaking table and location of station

圖4 傳感器與加速度計布置Fig.4 Layout of gauges and accelerometers

3 數值模擬

3.1 計算模型的建立

三維有限差分模型的計算區域考慮實際車站所在土層情況，模型周圍采用自由場邊界，土的本構模型選取基于莫爾--庫倫強度準則的理想彈塑性模型，土體網格在車站結構附近進行加密，土體和車站結構均采用實體單元.參考實際斷面形式，對車站橫截面形式進行了簡化，縱向選取五跨進行分析，模型尺寸整體為120m×51m×60m.土與結構三維數值模型和結構數值模型如圖5所示.土層進行了適當合并，土層參數見表1，車站結構參數參考文獻[23]見表2.

圖5 FLAC3D計算模型Fig.5 Calculation model of FLAC3D

圖5 FLAC3D計算模型(續)Fig.5 Calculation model of FLAC3D(continued)

表1 土層物理力學性質參數Table 1 Parameters of soils

表2 車站結構物理力學參數Table 2 Parameters of station structure

3.2 地震動輸入

數值模擬采用新華大街人工地震波為主要地震輸入，水平向依次輸入振幅為0.1g,0.2g,0.3g,0.5g, 0.6g,0.8g，共計6個工況.場地波加速度時程曲線如圖6所示，基巖輸入地震動持續時間為40s.

圖6 新華大街站人工波加速度時程曲線Fig.6 Acceleration time-histories of Xinhua Street Station

3.3 監測點布置

數值模擬中增加了 Y形柱和側墻監測點的布置，圖7淺灰色標注位置測點監測內容為加速度、位移和應變，其中對應變的監測通過在FLAC3D中對命令流的編寫來實現.

圖7 監測點布置Fig.7 Layout of monitoring points of model

4 數值模擬與試驗結果對比分析

4.1 加速度反應

4.1.1 車站側墻加速度反應

定義加速度放大系數為測點的峰值加速度與模型底部同步測點的峰值加速度的比值，由圖8可知，邊墻加速度放大系數隨著埋深增加而減小，同一測點的加速度放大系數隨著地震動輸入峰值的增加而減小.隨著輸入量級的增強土體的非線性加強，土傳遞振動的能力減弱，測點隨著地震輸入峰值的增加呈現減小的趨勢[23]，這與文獻[22]中的試驗結果相吻合.

4.1.2 Y形柱加速度反應

試驗已經得出，Y形柱頂部加速度反應大于底部，但是由于試驗中監測點布置較少，無法真正反映Y形柱沿縱向加速度的分布和隨著輸入峰值的變化.數值模擬中在不同地震動輸入峰值條件下，同一高度位置處Y形柱左右兩支及下部直柱測點加速度放大系數如圖9所示.

圖8 側墻加速度放大系數Fig.8 Acceleration amplificatio factor of sidewall

圖9 Y形柱測點加速度放大系數Fig.9 Acceleration amplificatio factor of Y shaped column

通過同一高程位置Y形柱的峰值加速度放大系數隨輸入峰值的變化可以看到：

(1)Y形柱上的加速度放大系數隨著輸入地震動峰值加速度的增加而減小，這與試驗結論相一致.

(2)Y形柱左側分叉位置處的峰值加速度整體大于右側分叉處的峰值加速度，其差值先是隨著地震動峰值的增加而增大，后來逐漸變小，說明地震動輸入的增大會加大Y形柱結構的不均勻性，Y形柱左側分支相比于右支更容易遭受破壞，與試驗[22]中的結論相一致，這與左側叉支距離邊墻較遠，同時缺乏橫向支撐有關，因此應提高左側叉支的抗震性能.

(3)Y形柱監測點加速度整體大于側墻處于同一高度位置加速度，說明Y形柱比側墻更易破壞.

(4)Y形柱頂部的加速度大于分叉處，更大于底部，這與試驗結果相一致.但是最大位置處并不出現在Y形柱頂端位置，而是稍微偏下位置，這是由于Y形柱跨度大,同時缺少橫向支撐，并且分支處不規則傾斜和剛度的變化也會強化Y形柱的地震響應.由于試驗測點布置有限，無法捕捉到Y形柱分叉以上位置的加速度，數值模擬在這里對Y形柱加速度的變化進行了補充，兩者結論基本一致.

4.2 側墻位移響應

地震反應位移的變化控制地下結構的破壞[24]，陳磊等[25]對框架式地鐵車站結構地震反應特性非線性分析中研究了車站位移左擺曲線和右擺曲線，認為兩者形狀相似，但右擺時刻的最大幅值大于左擺時刻，這說明由于強地震動作用,地下結構會產生單向累積的永久位移.基于此，本文中以右擺位移峰值為研究對象,對應試驗邊墻選取的3個測點位移幅值，通過數值模擬得到的測點位移幅值曲線如圖10所示.

圖10 側墻水平響應位移幅值Fig.10 Horizontal response displacement amplitude of sidewall

數值模擬得到的結論與振動臺試驗得到的規律一致，即模型上部位移大于下部，這種差異隨著地震動輸入峰值的增大而增大.

4.3 水平相對位移響應

4.3.1 側墻層間地震位移反應

結構之間的相對位移反應結構的內力，為了進一步了解車站側墻和Y形柱本身的位移變化規律以及兩者的差異，在數值模擬中布置了較多的測點，詳細記錄了車站不同位置的位移變化.側墻距離底板的水平相對層間位移差隨高度的變化如圖11所示.

圖11 側墻相對層間位移Fig.11 Relative displacement between the layers of sidewall

可知側墻層間位移隨著埋深增加也呈現出減小趨勢，且隨著輸入地震動幅值的增大，上下位移差值會增大，導致結構內力的不均勻變化，容易引起結構破壞.

當輸入峰值大于0.5g時，在與Y形柱分叉位置對應高度處，位移差值會變得比較明顯，這與結構形式突變有關，需要采取措置提高其抗震性能.

兩種方法得到的規律一致，但數值模擬的位移值要大于試驗結果.

4.3.2 Y形柱相對位移反應

試驗中無法測得Y形柱的位移，在數值模擬中進行了補充，Y形柱左右兩支不同高度測點與柱底端相對位移差變化如圖12所示，并與前面所述同一峰值條件下同一高度位置側墻的水平相對位移差進行對比.

由圖12可知，Y形柱各測點的相對位移差值隨著輸入地震動峰值的增大而增大；Y形柱左支的相對位移大于右支，這種差距隨著地震動輸入峰值的增大而增大；對于Y形柱而言，位移最大值并非出現在頂端，而是出現在Y形柱左右支分叉位置處，Y形柱分叉位置相對位移變化斜率較大；Y形柱整體相對位移大于側墻.

4.4 應變響應

試驗中的應變片由于環境因素不能保證全部正常工作，且試驗中結構的應變反應都是線應變.因此，在數值模擬中重點對 Y形柱的應變進行了監測，結果如圖13所示.

圖12 不同工況下Y形柱測點相對位移值Fig.12 Relative displacement between the layers of Y shaped column with dif f erent conditions

圖13 Y形柱應變曲線圖Fig.13 Structure strain response at measuring point of the Y shaped column

同試驗結果規律相近，各監測點的應變隨著地震動輸入峰值的增大成遞增趨勢；Y形柱分叉點處應變突然增大，其增大值隨著地震動輸入峰值的增大而增大，這與前述分叉位置處相對位移變化斜率較大可以對應，說明分叉點處位移較大，是需要加強的部位；分叉點以下部位應變略微增大后逐漸減小，至柱底為最小，柱下端部位應變相對于分叉點位置增大的幅度比試驗結果略小，但仍是需要加強的部位.Y形柱應變整體呈現出兩頭小中間大的變化趨勢，且頂部應變值大于底部.數值模擬結果與試驗結果規律基本相似，證明數值模擬中監測應變的方式較為合理.

5 結論

由數值模擬結果結合振動臺試驗結果，可得出如下結論：

(1)數值模擬與振動臺試驗的加速度、位移、應變變化規律基本一致，只是數值上存在一定差異.

(2)數值模擬得到的新規律有：受結構形式變化影響，Y形柱加速度最大位置并非出現在柱頂端，而是柱頂端往下位置；Y形柱分叉位置應變會出現突變，此處也是相對于柱底位移最大處，且變化率較大，是抗震設計中需要加強的部位；Y形柱加速度、位移變化都會大于側墻，因此設計中需要采取措施進行加固.

1 趙大鵬，宮必寧，晏成明.大跨度地下結構振動性態試驗研究.重慶建筑大學學報，2002，24(5)：52-57(Zhao Dapeng,Gong Bining,Yan Chengming.Experimental analysis of vibration behavior for large-span underground structure.Journal of Chongqing Jianzhu University,2002，24(5)：52-57(in Chinese))

2 尚昊，郭志昆，張武剛.大斷面地下結構抗震模型試驗.巖土工程界,2002，5(10)：60-64(Shang Hao,Guo Zhikun,Zhang Wugang. Seismic model test of large-section underground structure.Geotech-nical Engineering World,2002，5(10)：60-64(in Chinese))

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11 景立平，孟憲春，孫海峰等.三層地鐵車站振動臺試驗的數值模擬.地震工程與工程振動,2012，32(1)：98-105(Jing Liping,Meng Xianchun,Sun Haifeng,et al.Numerical simulation of three-story subway station shaking table test.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2012，32(1)：98-105(in Chinese))

12 陳磊，陳國興，李麗梅．近場和遠場地震動作用下雙層豎向重疊地鐵隧道地震反應特性．中國鐵道科學，2010,31(1)：79-86 (Chen Lei,Chen Guoxing,Li Limei.Seismic response characteristics of the double-layer vertical over lapping metro tunnel under near-fieland far-fielground motions.China Railway Science, 2010,31(1)：79-86(in Chinese))

13 安軍海，陶連金，李積棟等.地鐵雙層交叉隧道非線性地震響應分析，中國鐵道科學，2015,36(3)：66-72(An Junhai,Tao Lianjin, Li Jidong,et al.Nonlinear seismic response of double-decked intersecting metro tunnel.China Railway Science,2015,36(3)：66-72 (in Chinese))

14 李積棟，陶連金，安軍海等.大型密貼交叉組合地鐵車站地震響應分析.北京工業大學學報,2014，40(3)：361-373(Li Jidong,Tao Lianjin,An Junhai,et al.Seismic response analysis of large closelyattached intersecting combination of subway station.Journal of Beijing University Technology,2014，40(3)：361-373(in Chinese))

15 李積棟，陶連金，安軍海等.強震所用下密貼交叉組合地鐵車站三維地震動響應分析.鐵道科學與工程學報,2013，10(6)：64-68(Li Jidong,Tao Lianjin,An Junhai,et al.3D dynamic response analysis of the closely-attached interesting underground subway under strong earthquake.Journal of Railway Science and Engineering, 2013，10(6)：64-68(in Chinese))

16 李積棟.密貼交叉組合地鐵車站結構地震響應研究.[博士論文].北京：北京工業大學，2015(Li Jidong.Study on seismic response of closely-attached intersecting combination subway station.[PhD Thesis].Beijing：Beijing University of Technology,2015(in Chinese))

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20 龍慧，陳國興，莊海洋.可液化地基上地鐵車站結構地震反應特征有效應力分析.巖土力學，2013,34(6)：1731-1737(Long Hui, Chen Guoxing,Zhuang Haiyang.Ef f ective stress analysis of seismic response characteristics of metro station structure in liquefiabl foundation.Rock and Soil Mechanics,2013,34(6)：1731-1737(in Chinese))

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25 陳磊,陳國興,毛昆明,框架式地鐵車站結構大地震近場地震反應特性的三維精細化非線性分析.巖土工程學報,2012,34(3)：490-496(Chen Lei,Chen Guoxing,Mao Kunming.3D refine nonlinear analysis of seismic response characteristics of frame metro station under near-fiel strong ground motion of large earthquake.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012,34(3)：490-496(in Chinese))

SEISMIC RESPONSE OF SUBWAY STATION WITH LARGE SPAN AND YSHAPED COLUMN1)

Tao Lianjin?,2)Liu Chunxiao?Bian Jin?Wu Binglin?Li Jidong?Xu Youjun??

?(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)

?(Engineering College of Guangdong Ocean University，Zhanjiang524088，Guangdong，China)

??(Zhoushan Planning&Pattern Institute，Zhoushan 316000，Zhejiang，China)

??(China National Construction Corporation Technology Center，Beijing 101300，China)

???(School of Architecture&Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou014010，Inner Mongolia，China)

Along with the development of subway construction,a new type of structure with long span and Y shaped column comes up.It is dif f erent from the existing subway station structure,the space is tall and spacious,which shows a comfortable environment.In order to study the seismic performance of subway station structure with this new type, taking Xinhua Street station of the Beijing Metro Line 6 as engineering background,FLAC3Dwas used to build the soilunderground structure dynamic model of three-dimensional finit dif f erence to simulate the response process under theXinhua Street artificia seismic wave excitation.Emphasis is put on the analysis of the law of acceleration,displacement and strain of both Y shaped column and side wall of the station.The numerical results are also compared with the shaking table test.The results show that the numerical results are basically identical with the shaking table test,which reflect the similar structure response.The maximum acceleration of Y shaped column occurred at the position just a little down from the top of the column,not at the top.Strain changes suddenly at the bifurcation position of Y shaped column,where this position also has the largest response displacement relative to the bottom of column and with abrupt change,so this is the part to be reinforced in aseismic design.The acceleration and change of displacement of Y shaped column are both larger than side wall.The results above may provide reasonable reference and guidance to improve the seismic performance and seismic design for similar subway station structure.

Y shaped column，subway station，shaking table test，seismic response

TU311.3

A doi：10.6052/0459-1879-16-346

2016-11-25收稿，2016-11-28錄用,2016-12-05網絡版發表.

1)國家自然科學基金(41272337,41572276)、北京市自然科學基金委員會(L140004)、北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ200910005009)、北京市博士后工作經費(2013ZZ-01)和長江學者和創新團隊發展計劃(51421005)資助項目.

2)陶連金，教授，主要研究方向：巖土與地下工程.E-mail：ljtao@bjut.edu.cn

陶連金,劉春曉,邊金,吳秉林,李積棟,許有俊.大跨度Y形柱地鐵車站結構地震反應研究.力學學報,2017,49(1)：55-64

Tao Lianjin,Liu Chunxiao,Bian Jin,Wu Binglin,Li Jidong,Xu Youjun.Seismic response of subway station with large span and Y shaped column.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：55-64