半地面?zhèn)仁秸九_(tái)地鐵車站抗震分析

楊旭升，李少語(yǔ)，馮紅喜，楊 捷

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450050）

1 概述

近些年，我國(guó)城市軌道交通快速發(fā)展，其中以地下線居多。考慮到我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，需對(duì)地下車站進(jìn)行抗震分析。現(xiàn)階段采用的反應(yīng)位移法、反應(yīng)譜法等，都能近似地對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，滿足抗震設(shè)計(jì)的需求。但對(duì)于半地面車站，尤其是增加了車站跨度的側(cè)式站臺(tái)車站而言，還沒有可以借鑒的資料。因此，對(duì)半地面車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，完善各類地鐵車站抗震的構(gòu)造措施，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

研究半地面地鐵車站的抗震，首先要分析地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的不同之處，主要有以下幾點(diǎn)：①地下結(jié)構(gòu)由于受到周圍土層的約束，其自身不會(huì)表現(xiàn)特別明顯的振動(dòng)特性，但地面建筑則會(huì)呈現(xiàn)明顯的自身振動(dòng)特性；②較小的地震波入射角度變化就會(huì)造成地下結(jié)構(gòu)較大的震動(dòng)響應(yīng)，而地面建筑則受此影響較小；③地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)主要受周圍土層的應(yīng)變或變形影響，而地震加速度則與地面建筑受震產(chǎn)生的振動(dòng)反應(yīng)關(guān)系緊密。

總體來(lái)說(shuō)，地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)主要來(lái)自于地下結(jié)構(gòu)和周圍土層相關(guān)作用關(guān)系；地上建筑結(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量、剛度等自振特性的變化，則對(duì)地面結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響很大。

2 抗震計(jì)算方法

地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的不同，導(dǎo)致兩者對(duì)地震的計(jì)算方法不同。對(duì)于地下結(jié)構(gòu)，主要采用反應(yīng)位移法、時(shí)程分析法及反應(yīng)譜法，其中以反應(yīng)位移法使用最為廣泛。對(duì)于地上結(jié)構(gòu)，多采用陣型分析的反應(yīng)譜法直接進(jìn)行三維抗震分析。本文選取呼和浩特市軌道交通2號(hào)線一期工程某半地面?zhèn)仁秸九_(tái)車站作為研究對(duì)象，分別采用反應(yīng)位移法及反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行抗震分析，研究抗震工況下土體與結(jié)構(gòu)的相互作用及破壞機(jī)制。

3 計(jì)算模型

擬建車站為地上一層+地下一層的側(cè)式站臺(tái)車站，采用單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深 9.16 m，出地面層高 6.35 m，位于抗震設(shè)防烈度 8 度區(qū)內(nèi)，地震動(dòng)峰值加速度值為 0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期均為 0.35 s。地面 20 m 深度范圍內(nèi)的土層均不液化，車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 100年，抗震設(shè)防分類為乙類，性能要求為Ⅰ類，抗震等級(jí)為二級(jí)。車站結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。

計(jì)算分析中，采用 SAP84 對(duì)車站橫截面進(jìn)行二維計(jì)算，采用 PKPM 對(duì)整個(gè)車站進(jìn)行三維計(jì)算，采用理正工具箱對(duì)縱梁進(jìn)行二維計(jì)算。

圖1 主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：mm）

取單寬截面對(duì)地下、地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維靜力計(jì)算和反應(yīng)位移法計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖 2。該模型與地下車站的區(qū)別主要在于多出的地面結(jié)構(gòu)，由于地面結(jié)構(gòu)也多采用框架形式，計(jì)算時(shí)的模型采用與地下結(jié)構(gòu)相同的簡(jiǎn)化方法，仍將柱子等效為對(duì)應(yīng)方向的隔墻。所受荷載主要為側(cè)向風(fēng)荷載、水平地震荷載、屋頂雪荷載及檢修荷載。

由于對(duì)純地下結(jié)構(gòu)抗震已有較多研究，并且在車站東端純地下結(jié)構(gòu)部分設(shè)有變形縫，所以本次三維抗震計(jì)算暫不考慮純地下部分。PKPM 三維計(jì)算模型如圖 3 所示，其中右端為地下變形縫。將計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)位移法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的不同，并對(duì)半地面車站的抗震規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

圖2 反應(yīng)位移法受力荷載簡(jiǎn)圖

圖3 PKPM 三維整體分析計(jì)算模型

4 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)變形分析

（1）采用反應(yīng)位移法計(jì)算，設(shè)防地震和罕遇地震作用下車站結(jié)構(gòu)的位移如圖 4、圖 5 所示。由圖 4、圖 5可見，設(shè)防地震工況下的最大位移值為 -19.2 mm，最大彈性層間位移角為 1/579；罕遇地震工況下的最大位移值為 -42.3 mm，最大彈性層間位移角為 1/292。

（2）采用 PKPM 三維計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖 6、圖 7所示。由圖 6、圖 7 可見，設(shè)防地震工況下的最大位移值為 -12 mm，最大彈性層間位移角為 1/757。

由此可見，在設(shè)防地震作用下，車站結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于 1/550，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；在罕遇地震作用下，車站結(jié)構(gòu)最大層間位移角小于 1/250，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)仍處于彈塑性工作階段，不會(huì)出現(xiàn)局部或整體倒毀的情況。

4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.2.1 板、墻、柱內(nèi)力分析

表1 給出了靜力工況及地震工況下結(jié)構(gòu)板、墻、柱計(jì)算內(nèi)力結(jié)果，由表 1計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

（1）在地震工況作用下，中柱可滿足軸壓比限值的要求，表明半地面車站的中柱在設(shè)防地震工況下有較好的延性。但結(jié)構(gòu)中柱與中、底板相交處，剪力和彎矩較大，屬于薄弱部位，需增加其抗震性能，此點(diǎn)與地下車站結(jié)構(gòu)類似。尤其本站作為半地面站，在地震工況下，周邊環(huán)境及約束的不同會(huì)增加各層板的層間位移差，從而對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的破壞，實(shí)例中中層間位移角基本都接近限值也印證了這一點(diǎn)。在設(shè)計(jì)施工時(shí)，應(yīng)予以充分重視。

圖4 設(shè)防地震標(biāo)準(zhǔn)下水平位移（單位：mm）

圖5 罕遇地震標(biāo)準(zhǔn)下水平位移（單位：mm）

圖6 PKPM 三維計(jì)算最大水平位移

圖7 PKPM三維計(jì)算最大層間位移角

（2）對(duì)于各層板結(jié)構(gòu)，PKPM 三維計(jì)算基本采用桿系有限元計(jì)算（剪力墻采用殼單元除外），不考慮樓板的抗震作用，僅對(duì)其進(jìn)行了四邊支撐板的靜力分析。梁柱僅考慮樓板傳遞的樓面恒活載，而不考慮樓板剛度對(duì)整體受力的影響。該車站出地面頂板即為此種情況。靜力工況下，PKPM 三維計(jì)算結(jié)果與 SAP84 二維計(jì)算結(jié)果基本相同，模型簡(jiǎn)化較符合實(shí)際。

（3）出地面結(jié)構(gòu)的屋面板與地下車站的各層樓板存在區(qū)別。出地面結(jié)構(gòu)的頂板，與考慮覆土重及設(shè)備荷載的地下各層較厚板相比，其板厚相對(duì)較薄。地下車站各層板板厚較厚、剛度較大，屬中厚板范疇，不僅承受平面外彎矩，還承受面內(nèi)水平軸力。各層板和地下側(cè)墻（剪力墻）一起作為一個(gè)剛度較大的整體參與抗震計(jì)算，常用的二維簡(jiǎn)化模型比較適用。而對(duì)于地上結(jié)構(gòu)部分，采用 PKPM 進(jìn)行梁柱框架的計(jì)算較為合適。

（4）對(duì)于地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻，由于本站站前出入場(chǎng)線及正線上下穿關(guān)系，導(dǎo)致車站埋深相較于正常地面站較深，車站地下主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻較高，并且為側(cè)式站臺(tái)、單柱雙跨結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致側(cè)墻基本由地震工況控制，表 1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果也印證了該結(jié)論。

4.2.2 梁內(nèi)力分析

選取公共區(qū)中縱梁（圖 8）作為研究對(duì)象，將理正二維及 PKPM 三維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖 9、圖 10 分別給出了理正二維及 PKPM三維計(jì)算彎矩圖。通過(guò)對(duì)比圖9、圖 10 中板縱梁計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）相較于常規(guī)車站，本站 8 度抗震工況下，縱梁支座處的彎矩由抗震工況控制；

（2）對(duì)于跨中彎矩，由于本站為側(cè)式站臺(tái)，橫梁跨度較大，且橫梁破壞了原來(lái)的單向板受力，造成橫梁傳遞給縱梁的荷載比較大，部分作用有橫梁荷載的中縱梁跨中彎矩增加較多，這時(shí)用 PKPM 三維計(jì)算得到的內(nèi)力結(jié)果更符合實(shí)際。

表1 靜力工況及地震工況結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖8 中板梁平面圖（單位：mm）

圖9 理正二維計(jì)算彎矩圖（單位：kN · m）

5 結(jié)論及建議

（1）對(duì)于半地面車站整體而言，地下結(jié)構(gòu)由于受周邊土體的約束，地震變形反應(yīng)相對(duì)較小，起控制性作用的位移都產(chǎn)生于地上結(jié)構(gòu)，但地下結(jié)構(gòu)比地上結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)大。對(duì)于地上結(jié)構(gòu)，常用的靜力模型已不適用，采用陣型分析的反應(yīng)譜法進(jìn)行梁柱的框架計(jì)算更為合理。

（2）除滿足抗震要求之外，半地面車站的特殊性導(dǎo)致了其抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。半地面車站出地面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度一般在200 m 以內(nèi)，按照民建設(shè)縫原則，需設(shè)置2～3 道變形縫。若向下設(shè)置通縫，則會(huì)對(duì)屏蔽門、公共區(qū)設(shè)備等的布置造成影響。此時(shí)，地面廳范圍內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)可不設(shè)縫，可僅在地上結(jié)構(gòu)頂板設(shè)縫，這樣既滿足半地面車站的抗震性能要求，又不影響車站的建筑功能布置及使用。

圖10 PKPM 三維計(jì)算彎矩圖（單位：kN · m）