大跨度地鐵車站結構抗震分析

蔣興起

常州市軌道交通發展有限公司 江蘇常州 213022

1 地下結構抗震設計常用分析過程

1.1 抗震設防目標

依據GB50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》，城市軌道交通結構的抗震性能要求分成下列3個等級：

性能要求Ⅰ：地震后不破壞或輕微破壞，應能保持其正常使用功能；結構處于彈性工作階段；不應因結構的變形導致軌道的過大變形而影響行車安全。

性能要求Ⅱ：地震后可能破壞，經修補，短期內應能恢復其正常使用功能；結構局部進入彈塑性工作階段。

性能要求Ⅲ：地震后可能產生較大破壞，但不應出現局部或整體倒毀，結構處于彈塑性工作階段。

對于地下車站，當經受重現期100年的E1地震作用和重現期475年的E2地震作用時，需滿足性能要求Ⅰ的規定，當經受重現期2450年的E3地震作用時需滿足性能要求Ⅱ的規定[1]。

1.2 抗震設計方法

抗震設計中地震效應的計算方法有反應位移法、反應加速度法、非線性時程分析法等。根據GB50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》，對于重點設防類、標準設防類地下車站結構，采用反應位移法或反應加速度法進行E2地震作用結構計算，采用反應加速度法或非線性時程分析法進行E3地震作用結構性能分析。

采用反應加速度法時，土體可采用平面應變單元進行建模，結構可采用梁單元進行建模。模型底面采用固定邊界，側面采用水平滑移邊界。

采用非線性時程分析法時，可采用土-結構動力互相作用的二維計算模型或者三維計算模型。計算模型的側面人工邊界距地下結構的距離不宜小于地下結構水平有效寬度的3倍，底面人工邊界宜取至設計地震作用基準面且距結構的距離不小于地下結構豎向有效高度的3倍。

2 工程概況

該地鐵車站為地下兩層雙島四線越行站，標準段采用單柱雙跨斷面形式，車站長647.6m、寬40.88m，單跨20.44m，頂板覆土3m，底板埋深20.2m，該地鐵車站抗震設防分類為重點設防類，抗震等級為三級，車站埋深范圍主要地層為淤泥層、粉質黏土層及全、強風化粉砂質泥巖。根據GB50011—2010《建筑抗震設計規范》，場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第1組，場地類別為Ⅲ類，場地地震動峰值加速度調整系數為1.25。該地鐵車站選用反應位移法進行E2地震作用下的抗震性能驗算，選用非線性時程分析法進行E3地震作用下的抗震性能驗算[2]。

3 一般使用工況及地震工況計算

3.1 靜力作用下結構計算

分別考慮最低水位工況（水位取至底板底）、最高水位工況（水位取至地面）進行正常使用極限狀態和承載能力極限狀態組合計算。車站兩跨跨度一致，靜力作用下內力呈軸對稱特點，其中除低水位工況計算結果中頂板跨中與邊支座內力比高水位工況計算結果大之外，其余特征截面受力均由高水位工況控制。

3.2 E2地震作用下的結構響應分析及包絡內力

進行E2地震作用下結構計算時，不驗算裂縫寬度，地下水位按常水位（埋深1m）考慮，E2地震作用下慣性力、強制位移荷載為非對稱荷載，導致內力計算結果非對稱，因此取最不利截面進行受力復核。

3.3 E3地震作用下的結構響應分析

E3地震作用下重點設防類地下結構的抗震性能要求為II級，須進行結構整體變形性能分析。筆者采用非線性時程分析法對地鐵車站在E3地震作用下的整體變形進行了分析計算[3]。巖土采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，結構采用線彈性模型。計算模型底面采用固定邊界，側面采用黏性人工邊界，模型底面取至強風化粉砂質泥巖層面。以下就是 阻尼計算

邊界阻尼計算模型側面的黏性人工邊界，即在節點布置法向和切向的黏滯阻尼器，單位面積的阻尼系數根據如下公式計算：

式中：CP為法向阻尼，N·s/m；CS為切向阻尼，N·s/m；E 為彈性模量，MPa；μ 為泊松比；ρ 為密度，kg/m3；A 為面積，m2；G 為剪切模量，MPa；為體積模量，MPa。根據上述公式，邊界阻尼可由土體的彈性模量、泊松比、密度等參數計算得到。Midas GTS NX 能夠根據上述公式自動計算邊界阻尼。

4 結語

（1）通過對某兩層大跨地鐵車站結構進行多工況的計算分析并與地震工況結構響計算結果進行對比表明，地震工況下大跨地鐵車站結構配筋設計主要受正常使用極限狀態裂縫控制標準控制，抗震工況為非控制工況。

（2）對E3地震作用下的結構響應分析可知，雖滿足相關設計規范要求，但由于人工地震波的局限性，建議考慮擴大地震波的選取范圍進一步加強復核。

（3）地下結構的地震響應受介質的影響與地面結構的地震響應有明顯的差異，但由于建筑功能限制、受力特點的不同，往往容易形成強梁弱柱、局部大面積開洞等結構形式，該結構形式對抗震不利，在設計中需注重對內框架部分豎向傳力構件抗震設計的重視，加強抗震構造措施，確保地震作用下“三水準兩階段”抗震設防目標的實現。