復雜地質條件下地下換乘車站抗震特性數值分析

辛星

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

隨著軌道交通在我國的快速發展，車站結構設計亦漸趨完善，但對于地下工程的抗震設計，常常被設計人員忽略，尤其對于結構體系復雜、結構布置不規則的大型車站，抗震設計往往會成為結構設計的關鍵環節。本文借助南京地鐵紅花機場站為分析對象，研究在軟土場地大型換乘站的抗震性能，力圖為類似的車站抗震設計提供依據。

1 概述

選取南京地鐵6號線紅花機場進行分析，車站為6號線與10號線換乘車站。其中6號線地下三層，埋深23.0m，10號線地下二層，埋深15.9m。場地類別為Ⅱ類，αmax=0.10g，抗震設防烈度為7度，抗震設防類別為乙類。

對于采用多層框架結構的地下換乘站，應同時考慮2個主軸方向上的水平地震作用，并計入豎向地震動分量，按空間結構模型進行分析。本文采用Madis GTS NX軟件對換乘節點進行動力時程分析，并考慮土與結構的共同作用。

2 計算模型

2.1 地震動選取

地震動采用E2（重現期475年，峰值加速度0.1g）和E3（重現期2450年，峰值加速度0.22g）2個概率水準的基巖地震動加速度時程。

2.2 工程地質條件

車站埋深范圍內土體主要為粉土夾粉砂、淤泥質粉質粘土、粉質粘土，底板以下為中風化泥質粉砂巖。地下水位在地面下0.5m。各層土動力參數如表1。

表1 土層動力參數

2.3 分析模型

車站模型尺寸為200×160×50m，上邊界取至地表，下邊界取至基巖面，土層周邊設置粘-彈性邊界，模型底部輸入水平及豎向地震動加速度。為兼顧計算精度與速度，結構及其周邊土體網格尺寸取2m，遠離結構的基巖土體網格尺寸取5m，采用混合網格生成器，生成以六面體為主的網格。車站模型見圖1。

圖1 時程分析模型

3 計算結果分析

3.1 E2地震作用

由E2地震作用下車站相對位移云圖可知，車站Y方向最大位移發生在六號線，X方向最大位移發生在十號線。圖2～6給出兩個方向車站各層板相對位移時程曲線。各層板相對位移統計，如表2。

表2 各層板相對位移統計

圖2 10號線頂板中板相對位移

圖3 10號線中板底板相對位移

圖4 6號線頂板地下一層板相對位移

圖5 6號線地下一層板 地下二層板相對位移

圖6 6號線地下二層板~底板相對位移

由上述計算可知，車站各層板層間位移角均小于文獻［3］、文獻［4］規定的彈性層間位移角限值1/550，滿足E2地震作用下抗震性能Ⅰ的要求。

3.2 E3地震作用

由E3地震作用下車站相對位移云圖可知，車站Y方向最大位移發生在六號線，X方向最大位移發生在十號線。圖7～圖11給出兩個方向車站各層板相對位移時程曲線（位移單位均為mm）。各層板位移統計如表3。

表3 各層板位移統計

圖7 10號線頂板中板相對位移

圖8 10號線中板底板相對位移

圖9 6號線頂板地下一層板相對位移

圖10 6號線地下一層板地下二層板相對位移

圖11 6號線地下二層板~底板相對位移

由上述計算可知，車站各層板層間位移角均小于文獻［3］、文獻［4］規定的彈性層間位移角限值1/250，滿足E3地震作用下抗震性能Ⅱ的要求。

4 結語

經地震反應分析與計算、抗震性能驗算，本文所示車站結構，在設防烈度（E2）作用下，彈性層間位移均未超過1/550的層間位移限值；在罕遇地震（E3地）作用下，彈塑性層間位移均未超過1/250的層間位移限值，車站結構總體滿足抗震設防性能要求。結合本車站抗震分析結果，提出地鐵結構抗震設計時可供參考的建議。

（1）軟土場地的大型復雜地鐵車站在換乘節點處，應重視抗震計算，并按時程分析結果找出抗震薄弱環節，采取可靠措施，調整結構布置。一般情況下，換乘節點應盡量避免大的開洞，以使抗側力體系連續，梁、柱布置宜規則、貫通，必要時可加大換乘節點處板厚。（2）在車站接附屬結構、車站與區間的接口等開孔處，為抗震設計的薄弱環節，應加強構造措施，結合時程分析結果合理設置環梁、過梁、柱等構件，適當增大梁、柱配筋，箍筋加密。（3）地下車站抗震設計的重點是加強抗震措施，車站選址時應避開抗震不利地段，結構布置應規則、連續，在此基礎上根據抗震評估報告選取合適的地震動，進行動力時程分析，找出薄弱環節，加強薄弱環構造，并據此復核靜力工況的配筋結果，這樣才是地鐵結構設計的完美流程。