地鐵換乘車站結構抗震性能數值模擬分析

□文 /李美群

城市地下空間的綜合開發利用處于快速發展時期，城市地鐵線路規劃不可避免的出現兩條甚至多條在車站換乘，由此產生不同層數的地下換乘車站。本文以天津地鐵11號線與12號線“L”形換乘車站為工程依托，分別通過反應位移法和反應加速度法平面二維模型計算車站斷面、采用時程分析法對整個換乘車站三維空間模型進行計算，分析地震作用下的受力狀態及變形。

1 工程概況

1.1 車站工程概況

天津地鐵11號線與12號線換乘車站位于洞庭路與東江道交口西側下方，沿東江道大致呈東西向敷設。與地鐵12號線“L”形節點換乘。車站周邊環境復雜，北側現狀為頤航大廈，南側現狀為天津陳塘科技商務區服務中心，西側現狀為待開發7號地塊，東側現狀為洞庭路。

1.2 場地反應譜參數

車站場地反應譜參數見表1。

1.3 地層參數

1.3.1 土層參數

采用Mohr-Coulomb模型（摩爾-庫倫）來描述土介質的本構關系。見表2。

1.3.2 邊界條件與地震波

計算中模型各邊界取至距離換乘節點50 m的位置，計算模型豎向：頂面取地表；底面取至設計地震作用基準面，設計地震作用基準面取在場地覆蓋土層70 m深的位置。為簡化計算，附屬結構出入口及風道未建入模型，此處采用彈性邊界模擬邊界條件，其他處采用粘性邊界模擬邊界條件并且用粘性邊界模擬邊界條件。采用安評報告提供的地震波沿x方向加載地震加速度。

表1 車站場地反應譜參數

表2 車站場地模型

續表2

2 計算方法的選擇

抗震設計中地下結構地震反應的計算方法[1]見表3。

表3 地下車站地震反應計算方法

地下車站抗震設防類別為重點設防類。在多遇地震作用（多遇地震）下滿足抗震性能Ⅰ的要求；在罕遇地震作用（罕遇地震）下滿足抗震性能Ⅱ的要求。

按表3，一般車站或區間抗震分析可采用反應位移法（多遇地震作用）和反應加速度法（罕遇地震作用）。

反應位移法和反應加速度法一般適用于平面二維模型。對特殊車站，當平面二維模型不滿足計算需求時，需建立三維模型，三維計算的抗震分析應采用時程分析法。

3 二維模型計算

3.1 反應位移法

模型考慮周圍土體為地基彈簧，地下結構采用梁單元模擬，由一維土層地震反應分析計算得到土層相對位移、結構慣性力和結構周圍剪力三種地震作用[2]。地基彈簧剛度依據地基反力系數計算得出。

地下車站反應位移法計算模型見圖1。

3.2 反應加速度法

模型同樣考慮結構周圍土體。車站結構采用梁單元，土體采用平面應變單元進行有限元建模[3]。土層豎向取70 m，水平向一般取結構水平有效寬度的2～3倍，見圖2。

圖1 地下車站反應位移法計算模型

圖2 地下車站反應加速度法計算模型

3.3 計算結果

1）反應位移法計算結果見圖3-圖6。

圖3 地下二層車站標準斷面標準組合

圖4 地下二層車站標準斷面抗震組合（多遇地震作用）

圖5 地下三層車站標準斷面標準組合

圖6 地下三層車站標準斷面抗震組合（多遇地震作用）

2）反應加速度法計算結果見圖7和圖8。

圖7 地下二層車站標準斷面抗震組合層間水平位移值（罕遇地震作用）

圖8 地下三層車站標準斷面抗震組合層間水平位移值（罕遇地震作用）

4 三維模型計算

車站整體計算模型較大，其中結構梁、柱構件采用板單元和梁單元進行計算分析，土體采用實體單元進行模擬。見圖9。

圖9 計算模型

計算結果見圖10。

圖10 位移

5 計算結果分析

1）根據反應位移法內力計算結果，對結構尺寸及配筋起控制作用的主要取決于靜力工況。

2）三種方法的變形結果

（1）多遇地震作用下地下二層車站標準斷面按彈性分析的層間位移角：負一層1/1 737＜1/550，負二層＝1/859＜1/550。結構受力處于彈性階段，滿足規范要求。

地下三層車站標準斷面按彈性分析的層間位移角：負一層1/3556＜1/550，負二層1/21324＜1/550，負三層1/4128＜1/550。結構受力處于彈性階段，滿足規范要求。

（2）罕遇地震作用下地下二層車站標準斷面按彈塑性分析的層間位移角：負一層1/618＜1/250，負二層1/1541＜1/250。結構受力處于彈塑性階段，滿足規范要求。

地下三層車站標準斷面按彈塑性分析的層間位移角：負一層1/775＜1/250，負二層1/1 038＜1/250，負三層1/965＜1/250。滿足抗震性能要求。

在地震組合工況的作用下，絕對位移值相對大，相對位移值相對小[4]，可以滿足層間位移角的規范要求。

6 結論

6.1 多遇地震

1）結構的層間位移角最大值均＜1/550，車站結構處于彈性工作階段，對地下結構尺寸及配筋起控制作用的主要取決于靜力工況。但由于地質條件等因素影響，構件截面尺寸及配筋仍需按照正常使用階段和地震工況采取包絡設計。

2）柱滿足軸壓比限值要求，證明柱在多遇地震作用下有較好的延性。

6.2 罕遇地震

結構的層間位移角最大值均＜1/250，故車站結構在正常使用狀態下處于彈塑性工作階段，未出現整體或局部有倒塌的現象。

車站結構總體滿足抗震設防性能要求，抗震設計的重點是加強構造措施。