城市軌道交通大型地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)

曹萌芽

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308）

1 工程概況

奧體中心站是沈陽(yáng)地鐵9號(hào)線工程的一個(gè)換乘站，與地鐵2號(hào)線采用“通道+換乘廳”形式換乘。車站設(shè)于渾河大街與渾南西路交口處立交橋北側(cè)，大部分位于青年南大街下，東西兩端均位于綠化用地范圍內(nèi)，大致呈東西向布置。青年南大街為城市重要的交通干道且為景觀大街，交通順暢。青年南大街道路紅線寬60 m，雙向12車道。

2 三維有限元?jiǎng)恿δＰ?/h2>

為了更好地提升該地鐵車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，工程師以MIDAS/UTSNX軟件為數(shù)據(jù)分析和模擬平臺(tái)，以三維數(shù)值模擬分析為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析和研究地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震特性。

2.1 模型與參數(shù)

考量到三維有限元?jiǎng)恿δＰ偷幕疽?，根?jù)工程實(shí)際情況，分方向設(shè)置模型尺寸，相關(guān)參數(shù)為：X方向模型長(zhǎng)度630 m，Y方向模型長(zhǎng)度550 m，Z方向模型長(zhǎng)度110 m，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量108 000個(gè)，由模型節(jié)點(diǎn)連接作用形成的單元數(shù)量510 000個(gè)。此外，模型根據(jù)車站結(jié)構(gòu)共分為4層結(jié)構(gòu)類型，采用四面體單元形式模擬。

2.2 邊界處理模型

為了消除邊界處應(yīng)力波反射現(xiàn)象，可引入黏彈性人工邊界，以加強(qiáng)結(jié)果處理的準(zhǔn)確性。具體作用機(jī)理為確定邊界節(jié)點(diǎn)并根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置確定其所對(duì)應(yīng)的法向與切向區(qū)域。

2.3 荷載及求解

在該環(huán)節(jié)中，可研究不同人工形態(tài)下模型受到地震的影響程度。該分析基于地下結(jié)構(gòu)抗震性能（設(shè)防目標(biāo)要求）E2與E3地震環(huán)境下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)情況，模擬結(jié)果見圖1。

圖1 分別模擬了E2和E3作用下的典型波，并將X軸按逆時(shí)針48°方向旋轉(zhuǎn)處理，依次展開18種荷載模擬，設(shè)置積分時(shí)間步長(zhǎng)，同時(shí)引入紐馬克-B法，借助平均加速度進(jìn)行工況計(jì)算。最后，根據(jù)工程實(shí)際情況確定相關(guān)參數(shù)。其中，積分時(shí)間步長(zhǎng)0.02 s，所有工況總計(jì)算時(shí)間30 s。

3 車站結(jié)構(gòu)差異變形時(shí)程分析

在考慮各監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力時(shí)程曲線情況下，地鐵車站結(jié)構(gòu)橫斷面的相對(duì)水平位移峰值（絕對(duì)值）詳見圖2，其最大值基本發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂板。這是因?yàn)榈卣饎?dòng)向上傳播時(shí)的放大效應(yīng)以及側(cè)墻開洞造成的剛度發(fā)生了巨變，從而造成結(jié)構(gòu)上層變形值往往較下層變形值大。

圖2 監(jiān)測(cè)面相對(duì)位移

從基底差異變形時(shí)程曲線可知：（1）9號(hào)線奧體中心站主體結(jié)構(gòu)的橫向最大差異變形6.51 mm，縱向最大差異變形0.25 mm；（2）2號(hào)線奧體中心站主體結(jié)構(gòu)的橫向最大差異變形6.30 mm，縱向最大差異變形0.24 mm。因此，在設(shè)計(jì)的E2和E3地震作用下，奧體中心站的基底差異變形量均不大，能滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016版）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）中“經(jīng)一般修理后仍可繼續(xù)使用”的要求[1]。

地震工況的計(jì)算方法：建立“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，將時(shí)程分析法所得結(jié)構(gòu)的實(shí)際X方向位移加載在結(jié)構(gòu)上；同時(shí)，水平方向僅加載水壓力，豎向荷載與基本組合相同。

4 計(jì)算地下結(jié)構(gòu)抗震的方法研究及設(shè)計(jì)流程

4.1 土層結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析方法研究

依托時(shí)程分析法，可開展土層結(jié)構(gòu)分析。時(shí)程分析法內(nèi)容主要包括：（1）將整個(gè)城市軌道交通大型空間結(jié)構(gòu)及其周圍土體視作整體，從而分析地震持續(xù)時(shí)間對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的影響；（2）調(diào)整地震加速度，并收集在不同地震運(yùn)動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度下，地下結(jié)構(gòu)的位移情況和內(nèi)力指標(biāo)，為地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供參考數(shù)據(jù)，以便開展進(jìn)一步抗震性能的分析[2]。

4.2 反應(yīng)位移方法研究

為了全面地分析土層與結(jié)構(gòu)動(dòng)力之間的關(guān)系，在比較與綜合了多種研究方法后，選擇了自由場(chǎng)反應(yīng)位移方法來(lái)分析一維土層受到地震影響的情況，并如實(shí)記錄土層反應(yīng)情況，從而提升城市軌道交通大型地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能分析的科學(xué)性與可靠性。

此外，還可以采用反應(yīng)位移方法收集土層的位移量，計(jì)算出土層結(jié)構(gòu)慣力，并引入地基反力系數(shù)這一概念，從而計(jì)算出地下結(jié)構(gòu)地基的彈簧剛度。

4.3 地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)流程

地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)流程大致可分為2步，即確定關(guān)鍵問題與分析地基地震反應(yīng)。

4.3.1 確定地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

1）在確定關(guān)鍵問題前，要先進(jìn)行地質(zhì)勘查，掌握地下結(jié)構(gòu)的地基條件與周圍建筑物的分布情況。在地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格按照地震作用基準(zhǔn)面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考量輸入的地震動(dòng)是否符合相關(guān)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，并處理好基線，同時(shí)采用漂移的方式處理基線，以避免在模擬過程中以及實(shí)際的施工中出現(xiàn)位移。

2）輸入的地震面與場(chǎng)地覆蓋層之間存在相互影響的關(guān)系，并根據(jù)輸入的地震面來(lái)計(jì)算出地下結(jié)構(gòu)抗震施工覆蓋層的厚度。值得注意的是，若覆蓋層的厚度不合理，就會(huì)影響整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)強(qiáng)度，從而造成地震反應(yīng)結(jié)果失真的情況。

3）在國(guó)內(nèi)的城市軌道交通大型地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)中，輸入地震動(dòng)的確定與輸入地震面的選擇，需要結(jié)合實(shí)際的地下結(jié)構(gòu)情況確定?？蛇x擇在隧道與地下車站交界處的巖土層實(shí)施覆蓋土層，同時(shí)，根據(jù)地下車站場(chǎng)地的大小嚴(yán)格控制覆蓋土層的厚度[3]。

4.3.2 地基地震反應(yīng)的計(jì)算

隨著城市軌道交通地下空間結(jié)構(gòu)向廣度和深度不斷加大，傳統(tǒng)的線彈性分析方法無(wú)法滿足當(dāng)前地下空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算需求，諸多的新型計(jì)算方法被應(yīng)用到地下空間結(jié)構(gòu)地基地震反應(yīng)的計(jì)算。在選擇計(jì)算方法時(shí)，可以綜合考慮工程實(shí)際情況、各個(gè)計(jì)算方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，從而選擇效果最好的計(jì)算方法。

本工程選擇了應(yīng)用自由場(chǎng)反應(yīng)法來(lái)確定地震加速度的計(jì)算方法，通過計(jì)算可知地下結(jié)構(gòu)周圍地基的非線性程度。計(jì)算對(duì)象為地下空間結(jié)構(gòu)襯砌和橫向結(jié)構(gòu)，計(jì)算內(nèi)容為結(jié)構(gòu)內(nèi)力指標(biāo)與變形量。經(jīng)過計(jì)算，可以獲得地下空間結(jié)構(gòu)橫向抗震結(jié)構(gòu)的抗震性能，評(píng)估地下空間結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。

地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要關(guān)注影響地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能的因素，并嚴(yán)格按照分析方法實(shí)施實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，從而對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能做出科學(xué)評(píng)估，確保投入運(yùn)行使用的地下空間結(jié)構(gòu)抗震效果理想，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 抗震構(gòu)造措施

經(jīng)地層地震反應(yīng)計(jì)算、車站結(jié)構(gòu)抗震分析和計(jì)算、抗震性能驗(yàn)算，車站結(jié)構(gòu)總體滿足抗震設(shè)防性能要求，抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是加強(qiáng)構(gòu)造措施。對(duì)于淺埋矩形框架結(jié)構(gòu)的車站，宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，避免采用裝配式和部分裝配式結(jié)構(gòu)。特別應(yīng)保證側(cè)墻板與頂板、梁板與柱節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度及延性。加強(qiáng)中柱與頂板、中板鋼筋連接。可能的情況下，中柱采用鋼骨或鋼管混凝土柱代替鋼筋混凝土柱，增加延性，提高抗震性能[4]。

根據(jù)規(guī)范6.3節(jié)要求，抗震等級(jí)為3級(jí)時(shí)，梁端箍筋加密區(qū)的長(zhǎng)度、箍筋的最大間距和最小直徑應(yīng)滿足3個(gè)要求：（1）當(dāng)梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時(shí)，箍筋最小直徑數(shù)值應(yīng)增大2 mm；（2）梁端加密區(qū)的箍筋肢距，不宜大于250 mm和20倍箍筋直徑的較大值；（3）對(duì)于鋼筋混凝土柱，3級(jí)抗震時(shí)截面寬度和長(zhǎng)度應(yīng)大于300 mm，剪跨比宜大于2，截面長(zhǎng)邊與短邊的比值應(yīng)小于3，柱軸壓比應(yīng)小于0.85。

對(duì)于柱箍筋的加密范圍，應(yīng)按下列規(guī)定選用：（1）柱端，取截面高度（圓柱直徑）、柱凈高的1/6和500 mm三者的最大值；（2）底層柱的下端不小于柱凈高的1/3；（3）剛性地面上下各500 mm；（4）剪跨比小于2的柱、因設(shè)置填充墻等形成的柱凈高與柱截面高度之比小于4的柱、框支柱取全高。在柱箍筋加密區(qū)的箍筋肢距方面，1級(jí)不宜大于200 mm，2級(jí)、3級(jí)不宜大于250 mm。與此同時(shí)，至少每隔1根縱向鋼筋就在相反2個(gè)方向設(shè)置箍筋或拉筋約束，在采用拉筋復(fù)合箍時(shí)，拉筋宜緊靠縱向鋼筋并鉤住箍筋。

對(duì)于柱箍筋非加密區(qū)的箍筋配置，應(yīng)符合下列要求：（1）柱箍筋非加密區(qū)的體積配箍率不宜小于加密區(qū)的50%，且箍筋間距的3級(jí)框架柱應(yīng)＜15倍縱向鋼筋直徑；（2）為提高中柱的抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和延性，主體結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱并提高鋼管柱套箍指標(biāo)，以提高主體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

6 結(jié)語(yǔ)

為了減輕城市地面交通的壓力，城市地下軌道交通的發(fā)展規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的地下空間結(jié)構(gòu)的建設(shè)也在逐漸增多。如何提升城市軌道交通大型地下空間結(jié)構(gòu)的抗震性能，成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問題。提供抗震性能良好的城市軌道交通大型地下空間結(jié)構(gòu)，才能為人們的生產(chǎn)、生活創(chuàng)造更加安全舒適的出行環(huán)境。

本文基于某地鐵車站工程，以MIDAS/UTSNX軟件為平臺(tái)搭建三維有限元?jiǎng)恿δＰ?，分析在地震力的作用下地下空間結(jié)構(gòu)的位移與變形情況，并嚴(yán)格控制地下空間結(jié)構(gòu)中頂、底板變形位移情況，完善地下空間結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)，從而提高地下空間結(jié)構(gòu)的綜合效益，推動(dòng)城市軌道交通的健康發(fā)展。