明-暗挖結合地鐵車站結構抗震分析

劉金波，姜 磊，楊成蛟，王鐵東

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

本工程車站位于交通繁忙的交叉路口處，車站跨路口設置，垂直于車站方向的道路下方市政管線較多，其中兩根DN1500mm的排水管和一根DN1200mm的給水管改移難度較大，方案論證后車站在跨路口段采用暗挖兩層(暗挖段長度約28m)，路口兩側采用明挖三層兩跨矩形框架結構。車站總長155m，標準段寬度21m。頂板覆土約4～7m，底板埋深約24.4～26.8m。車站主體結構采用半蓋挖法，局部暗挖施工，車站主體與風道結構合建，共用基坑，基坑長155.3m,基坑寬21.1～30.65m，采用鉆孔灌注樁加內支撐的支護型式。

車站主體采用半蓋挖法施工，車站在十字路口段為暗挖兩層，暗挖段長度為28m，路口兩側為明挖三層，長度分別為56m和71m，車站縱剖圖見圖1。

圖1 車站縱剖圖

2 結構斷面及工程地質法

2.1 結構斷面

車站明挖段覆土4m,暗挖段覆土7m，明挖標準段主體結構寬21m，高20.6m，暗挖段主體結構寬21m，高17.45m。車站明挖段、暗挖段橫剖面及結構尺寸見圖2。

2.2 工程地質

車站范圍地層自上而下分別為雜填土、粉質黏土、中粗砂、礫砂、圓礫、中粗砂第四紀晚更新世沖洪積層。土層物理力學性質參數見表1。

3 結構抗震計算

3.1 計算模型

本工程沿縱向結構型式變化較大，應進行三維計算。車站結構板、側墻采用板單元模擬，梁、柱構件采用梁單元進行模擬，土體采用實體單元進行模擬，整個計算模型的范圍為長240m，寬150m，高度方向(z方向)取100m。整體模型的網格劃分見圖3所示，共劃分70626個單元，70117個節點。

3.2 地震波的選取

依據該工程的地震安全評價報告，本次計算采用水平向x方向和y方向地震波同時振動，水平向y方向地震動加速度峰值考慮折減為設計地震動峰值加速度的0.85倍[1-5](如圖4所示)。結構地震反應特別是位移反應需要有一定的持續時間才能達到最大值，本項目時程分析的時間根據地震波的情況取為60s，時程分析的步長取為0.02s[6-8]。

圖2 車站橫剖面圖

表1 土層參數表

圖3 計算模型

3.3 計算結果

首先對E2 地震作用下車站結構的變形進行計算，計算結果如圖5～圖6所示。

由圖5～圖6可知，E2 地震作用下車站側墻和柱變形云圖可知，結構整體變形近似線性變化，越接近地表結構位移越大。由表2可知明挖三層段負一層側墻最大位移為6.52mm，暗挖兩層段負一層側墻最大位移為7.36mm，側墻位移均滿足限制要求。

圖4 地震波加速度時程曲線

圖5 設防地震作用下車站側墻相對位移TX云圖

圖6 設防地震作用下車站側墻相對位移TY云圖

表2 E2地震作用下車站側墻位移值

其次，對E2 地震作用下車站結構的內力進行計算，計算結果如表3所示。

表3 靜力工況及E2地震作用下車站主要構件的內力值

由表3可知：

(1)結構板在靜力作用和地震作用下內力規律一致，均呈現頂、底板彎矩大中板彎矩小的規律。

(2)側墻和中柱地震作用下內力均略小于靜力工況下內力。

(3)在基本組合工況下的車站結構配筋為最大包絡配筋，地震工況為非控制性工況。

最后，對車站進行了E3地震作用下的彈塑性變形分析。車站在地震作用下的變形、塑性區、層間相對位移見圖7、圖8及表4。

圖7 E3地震作用下車站側墻相對位移TX云圖

對罕遇地震E3作用下車站進行彈塑性計算，發現車站明暗挖交接處有一定范圍的塑性開展，但整體滿足抗震性能要求Ⅱ。分析表明車站明暗挖交

圖8 E3地震作用下車站側墻相對位移TY云圖

表4 E3地震作用下車站側墻位移值

接處是工程抗震的薄弱環節，結構設計中應采取加強措施，提高連接節點抵抗變形的能力。

4 結論

(1)通過三維數值模擬對車站結構在E2地震作用下的彈性內力和變形進行計算，滿足抗震性能要求I；同時對比了靜力工況和E2地震作用下結構構件的內力，表明地震工況為非控制性工況。

(2)對罕遇地震E3作用下車站進行彈塑性計算，結果表明車站明暗挖交接處有一定范圍的塑性開展，但整體滿足抗震性能要求Ⅱ。分析表明車站明暗挖交接處是工程抗震的薄弱環節，結構設計中應采取加強措施，提高連接節點抵抗變形的能力，確保結構抗震工況下的整體性。