島式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

呂立寧

（山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西 太原 030006）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程速度的加快，地鐵在城市公共交通系統(tǒng)中發(fā)揮了不可替代的作用，其安全性也日益引起大家關(guān)注，尤其是地震中結(jié)構(gòu)的安全性尤為關(guān)鍵。

地震是地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，也是不可避免的。地面結(jié)構(gòu)的抗震研究起步較早，各國(guó)也都制定了相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。1995年日本阪神大地震中，神戶(hù)市的地下結(jié)構(gòu)遭受了較大破壞，地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。阪神地震后，眾多學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性開(kāi)展了廣泛的研究。土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用是一個(gè)復(fù)雜課題，模型建立、計(jì)算參數(shù)選取、地震波選取等都需要根據(jù)實(shí)際狀況確定[1]。

本文基于土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用理論，建立有限元模型，采用時(shí)程分析方法對(duì)典型島式地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析。

1 工程概況

取廣州地鐵二號(hào)線某車(chē)站，車(chē)站建筑形式為島式雙層三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用明挖施工方法建造。車(chē)站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段橫截面如圖1所示，土體參數(shù)如表1所示。

該車(chē)站處于軟土地層中，頂板埋深2.5m，為典型的軟土淺埋地下結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)加速度峰值為0.10g。結(jié)構(gòu)主體框架材料為C30混凝土，立柱為1.0m×0.8m矩形截面柱，縱向柱間距為9.5m，立柱材料為C45混凝土。車(chē)站結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，模型中將立柱考慮為等效連續(xù)墻體。計(jì)算邊界按寬度方向取6倍結(jié)構(gòu)總跨度，深度方向取40m，模型計(jì)算尺寸為144m×40m。

地震波選取El-Centro波、唐山波、天津?qū)幒硬ㄟ@幾種典型地震波作為地震輸入。進(jìn)行水平向地震響應(yīng)分析時(shí)，輸入El波、唐山波、天津波南北向加速度時(shí)程，加速度峰值調(diào)整為1.0m/s2。進(jìn)行雙向地震響應(yīng)分析時(shí)，只輸入天津波南北向和垂直向加速度時(shí)程，南北向地震波峰值調(diào)整為1.0m/s2，垂直向地震波不做調(diào)整。

為便于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和說(shuō)明，規(guī)定了代表結(jié)構(gòu)位置的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)編號(hào)，如圖3所示。

圖1 車(chē)站結(jié)構(gòu)截面圖(單位：m)

圖2 土-車(chē)站結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)編號(hào)

表1 土體參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)水平位移(單位：mm)

表3 水平向地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2 水平向地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

在水平向地震波作用下，由于豎向位移較小，只討論結(jié)構(gòu)的水平位移。結(jié)構(gòu)水平位移峰值計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明：天津波的位移最大，相對(duì)位移也最大，上下層相對(duì)位移峰值分別為5.78mm、9.85mm，層間位移角為1/957、1/710；El波的位移最小，相對(duì)位移也最小，上下層相對(duì)位移峰值分別為5.22mm、8.54mm，層間位移角為1/1053、1/820。各層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的彈性層間位移角1/550的限值[2]。

在三種地震波作用下，車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值計(jì)算結(jié)果如表3所示。內(nèi)力最大的截面出現(xiàn)在側(cè)墻與底板相交處，El波的內(nèi)力峰值最小，彎矩峰值為383.49kN·m；天津波的內(nèi)力峰值最大，彎矩峰值為416.34kN·m，比El波高出8%。

3 雙向地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

同時(shí)輸入天津波南北水平向和垂直向加速度時(shí)程，結(jié)構(gòu)水平層間相對(duì)位移峰值結(jié)果見(jiàn)表4，內(nèi)力峰值結(jié)果見(jiàn)表5。雙向地震波作用下，結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移峰值增加了7%。結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化較大，側(cè)墻與底板交角位置同樣為最大內(nèi)力控制截面，其中彎矩峰值達(dá)572.69kN·m，與水平單向地震波作用相比增加27%。立柱內(nèi)力變化較大，下柱底部彎矩峰值達(dá)196.79kN·m，與水平單向地震波作用相比增加45%。

表4 結(jié)構(gòu)水平層間相對(duì)位移(單位：mm)

4 小結(jié)

表5 雙向地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在同一加速度峰值的不同地震波時(shí)程作用下，地下車(chē)站結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是不同的，在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這一差異。與水平單向地震波作用相比，雙向地震波作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加較大，在結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中應(yīng)考慮豎向地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)底板與側(cè)墻交角截面內(nèi)力最大，設(shè)計(jì)中應(yīng)作為控制截面，設(shè)計(jì)中應(yīng)將立柱作為關(guān)鍵部件進(jìn)行加強(qiáng)，可采用加肋勁性柱或鋼管混凝土柱等，以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性。

［1］韓雪兵.黃土地區(qū)地鐵施工地層參數(shù)敏感性分析[J].山西交通科技,2012,4：50-52.

［2］中國(guó)人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.