軟土場地地鐵車站結構動力響應分析

左海平 劉昕業

摘要 基于ANSYS有限元軟件，針對軟土場地，建立長周期地震動作用下，考慮土與地鐵車站結構相互作用的二維模型，對典型兩層三跨地鐵車站進行動力響應分析。結果表明：長周期地震動作用下，典型軟土場地上車站結構底板及頂板位置加速度峰值相比于輸入地震波加速度峰值有比較顯著放大;樓板和側墻相交節點及底層中柱與樓板節點部位應力較大，屬于抗震不利位置，設計應注意考慮。

關鍵詞 長周期地震動;軟土場地;地鐵車站

中圖分類號 U231.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0171-03

0 引言

1995年阪神地震中大開地鐵車站等地下結構發生嚴重破壞后，地鐵地下結構的抗震性能引起了人們的廣泛關注。國內外學者利用數值模擬和振動臺試驗對軟土場地上地鐵車站等地下結構的地震反應進行了一系列研究。王雪劍等[1]、李積棟等[2]對典型的地鐵地下車站結構進行過一系列的研究，但并未考慮長周期地震動作用于軟土場地的情況。

目前對處于軟土場地上的長周期地震動作用下的典型框架式地鐵車站地震反應分析比較少，而相關研究表明軟土場地會放大長周期地震動效應。我國幅員遼闊，地震頻發，許多建立在軟土場地上的地鐵車站可能存在遭遇長周期地震動的影響，因此，長周期地震動作用下軟土場地地鐵車站結構動力響應分析對地鐵車站結構的設計和優化具有現實意義。

文章基于ANSYS有限元軟件，針對軟土場地，建立了在長周期地震動作用下，考慮土與地鐵車站結構相互作用的二維模型，研究地鐵車站結構的動力響應規律，為地鐵車站結構的抗震設計提供指導建議。

1 二維計算有限元模型

1.1 地鐵車站模型

選取典型兩層三跨地鐵車站結構，寬度為17 m、高度為11 m，上覆土層厚度為4 m。車站結構的底板厚1.1 m、頂板厚0.8 m、中板厚0.8 m、側墻厚0.8 m，中柱截面尺寸0.8 m×0.8 m、中柱間距為5 m，中柱與側墻間距為6 m。將其簡化為單柱平面框架結構，模型簡圖如圖1所示。地鐵車站結構主體部分混凝土強度為C35，中柱混凝土強度為 C50，根據樓夢麟等[3]的研究，該模型地基的計算寬度取為150 m，可以不予考慮人工邊界對地鐵車站結構動力特性的影響，即土體模型尺寸取150 m×5 m。有限元模型分析時，采用plane42單元進行模擬土體，beam3單元模擬車站結構，網格劃分見圖2。

1.2 材料本構模型及地震波選取

選取典型軟土場地，密度為1.895 g/m3、彈性模量10.985 MPa、內摩擦角20°、黏聚力43.56 kPa。土體采用D-P本構模型，同時選取瑞利阻尼模擬阻尼作用。混凝土塑性模型作為混凝土的本構模型。該文選出一條波近場參照波Elcentro波并按選波原則[4]從美國太平洋地震工程中心選取一條長周期地震波Aqaba-Hadera E-W波對結構進行地震動時程分析，Aqaba-Hadera E-W波加速度時程曲線及傅里葉譜見下圖3和圖4，Elcentro波加速度時程曲線及傅里葉譜見下圖5和圖6。

2 車站結構地震響應分析

2.1 車站結構加速度反應分析

表1及表2列出了Aqaba-Hadera E-W波Elcentro波作用下地鐵車站結構頂、底板中點的加速度峰值及相比于基巖處加速度峰值的加速度放大系數。

對表1及表2分析發現，在近場地震波Elcentro波作用下，車站結構底板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的0.93倍，車站結構頂板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的0.81倍;長周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下，車站結構底板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的1.15倍，車站結構頂板位置加速度峰值是輸入地震波加速度的1.09倍。這說明與近場地震波Elcentro波相比，典型長周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下軟土場地對地鐵車站結構的地震反應放大效應比較顯著。

2.2 車站結構應力分析

在Aqaba-Hadera E-W波及Elcentro波作用下，對地鐵車站進行應力時程分析，其中關鍵部位—車站結構墻板與柱的連接節點的最大應力如下表3、表4所示，對拉應力分析，樓板和側墻相交節點拉應力幅值較大，屬于抗震不利位置，在車站結構設計時，要充分考慮其抗拉性能。對壓應力分析，底層中柱與樓板節點部位壓應力幅值較大，表明底層中柱節點位置是抗震較不利位置。

3 結論

該文利用ANSYS軟件分析長周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下軟土場地地鐵車站結構動力響應，得到以下結論：（1）遠場長周期地震波低頻含量較為豐富，軟土場地放大效應顯著，地鐵車站結構在遠場長周期地震波作用下，側墻與樓板相交位置及下層中柱柱底的應力幅值較大，中柱為抗震最薄弱構件。（2）遠場長周期地震波低頻成分較多，經軟土場地放大后，地鐵車站結構加速度峰值明顯增大;Aqaba-Hadera E-W波作用下，地鐵車站結構各關鍵部位的加速度峰值總體從底部到頂部逐漸增大;對比于Elcentro波，遠場地震波作用下車站結構頂板、底板等重要部位的加速度放大效應顯著。

參考文獻

[1]王雪劍.復雜地基中地鐵地下結構振動臺實驗及其動力變形特性研究[D].南京：南京工業大學，2017.

[2]李積棟，陶連金，安軍海，等.超淺埋大跨度Y形柱雙層地鐵車站三維地震響應分析[J].中南大學學報（自然科學版），2015（2）：653-660.

[3]樓夢麟，王文劍，朱彤，等.土-結構體系振動臺模型試驗中土層邊界影響問題[J].地震工程與工程振動，2000（4）：30-36.

[4]左海平.長周期地震動與SSI效應耦合對厚覆蓋軟土場地上超高層建筑動力響應影響規律研究[D].南昌：華東交通大學，2017.