大跨度地鐵車站結構抗震分析

李會峰

摘 要：當前，我國城市發展規模不斷擴張，人口總數也在持續增加，造成城市交通出現嚴重的擁堵現象。地鐵由于其運量大、安全快捷且節能環保等諸多優點，已逐漸成為人們不可或缺的交通工具。截至2018年，我國已有超過35個城市開通了地鐵，通車里程達5000km，除此之外，還有許多城市在積極規劃地鐵交通網。我國是世界上地震災害最頻繁的國家之一，地鐵車站往往是人流密集的地方，一旦在地震中發生破壞，將會帶來極大的人員傷亡和財產損失，因此，研究大跨度地鐵車站結構抗震措施具有非常重要的現實意義。

關鍵詞：大跨度;地鐵車站;結構抗震

隨著我國城市化的迅速發展，城市用地日趨緊張，城市地下空間的開發利用對于緩解城市交通壓力起著關鍵作用。地鐵作為一種獨立的交通系統，并不受地面道路情況的影響，在城市交通中發揮著巨大的作用，我國近些年來地鐵的數量在迅速增加，截止2017年末，我國已有62座城市里的城市軌道交通線網規劃獲批，總里程達7321km，其中已運營長度達5033km。相對于地上結構而言，地鐵車站結構完全埋置于地下，受到周圍巖土體的約束及加固作用，人們潛意識認為地鐵車站的抗震性能優于地上結構，又因其為數不多，震害的影響較地上結構較小，故長期以來，地鐵車站的抗震并沒有得到人們的重視。1985年，墨西哥8.1級地震致使建在軟弱地基上地鐵側墻與地表結構相交部位產生過大裂縫而破壞的現象;1995年，日本阪神地震造成了大開車站等毀滅性破壞，產生巨大的生命財產損失;2008年汶川發生的8.0級大地震導致了多條隧道的坍塌;因此，地鐵車站的抗震性能分析日漸成為了引起人們重視的問題。

1 抗震結構設計概述

抗震結構主要是指在針對可能發生的地震等災害進行的分析，以保障相關地鐵車站使用人員人身安全和經濟安全為目的進行的，綜合決策和評判系統在當前地鐵車站設計中的體現。地鐵車站結構的抗震設防類別設置中，其主要根據抵御的地震強度和重要性程度來進行相關的劃分，即按地鐵車站所在地區，受地震破壞時產生的損失與影響而進行的劃分。目前的抗震設防類別設置中，可將地鐵車站結構分為以下三類：甲類抗震地鐵車站結構、乙類抗震地鐵車站結構、丙類抗震地鐵車站結構。地鐵車站結構抗震設防類別不同，其抵御相關地震災害的作用的取值和抗震措施的采取方式也不盡相同。

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。

3 大跨度地鐵車站結構抗震策略

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，結果顯示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。主要對結構標準段頂板、中板、底板及側墻支座和跨中內力控制截面各個工況進行配筋計算和對比分析。根據上述計算結果進行結構橫剖面承載力計算和裂縫寬度驗算。經計算，截面的配筋均能滿足正常使用工況下裂縫寬度要求，其最大裂縫寬度限值迎土面為wmax≤0.2mm，背土面為wmax≤0.3mm，即滿足正常使用工況下裂縫要求的同時均滿足地震工況下的承載力要求。

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。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。

3.3.1 阻尼計算

3.3.1.1 邊界阻尼

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。MidasGTSNX能夠根據上述公式自動計算邊界阻尼。

3.3.1.2 土體內部阻尼

土體內部阻尼采用Rayleigh阻尼，它將整體阻尼矩陣[C]用整體質量矩陣[M]和整體剛度矩陣[K]的線性組合來表示：

公式（5）中的比例常數α和β可由下式確定：

式中：ω1、ω2為振型參與質量最大的前兩階振型的自振頻率;ξ1、ξ2為相應振型的阻尼比。

通過特征值分析計算前兩階振型的自振頻率。特征值分析時不施加任何阻尼（包括邊界阻尼）及荷載，只有底面的固定邊界。經計算，該模型中前兩階振型的自振頻率分別為：ω1=0.5671342，ω2=0.5676105。土體阻尼比按常量0.05考慮，將ω1、ω2代入公式（6）、（7）計算得到α=0.178245218、β=0.0140256193。

3.3.2 地震動模擬

地震發生時，從震源釋放的部分能量以波的形式向四周傳播而形成地震波，它可以分為縱波、橫波和面波。橫波和面波到達時地面振動最強烈，一般認為地震在地表面引起的破壞主要來自橫波和面波的傳播。因此進行動力分析時，為簡單起見，一般僅考慮由基巖發生的橫波沿土層向上傳播的作用。

地震作用輸入采用振動法，即假定設計地震作用基準面（基巖）上各點的地震加速度在同一時刻是相同的，設為{üg}。令{üg}為計算區域各點相對基巖的相對加速度，則運動方程如下：

運動方程等號右側的地震慣性力作用在土體和結構上，模擬地震作用。基巖地震加速度{üg}通過地震加速度時程曲線輸入。E3地震作用II類場地設計地震動峰值加速度為0.22g，III類場地地震動峰值加速度調整系數為1.25，故該地鐵車站E3地震作用峰值加速度為0.22g×1.25=0.275g。

不同地震波作用下結構水平位移均為頂部大、底部小，底板相對基巖位移較小，對于兩層地下結構，層間位移趨近于線性變化。

結構層間位移角均小于GB50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》中的限值4×10-3，因此在E3地震作用下車站結構整體變形滿足性能等級為II級的要求。

4 結語

隨著人們對于地鐵車站結構設計中抗震結構設計重視程度的增加，對于相關的地鐵車站結構設計中的抗震設計的研究也逐漸成為了當前地鐵車站設計研究中的重點內容，簡而言之，人們更多地希望通過抗震設計提高地鐵車站的穩定性，為此，相關的研究與設計人員需要能夠立足于地鐵車站設計與施工的具體流程，進行更為合理的設計。

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