島式地鐵車站結構地震響應分析

呂立寧

（山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室 山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著城市化進程速度的加快，地鐵在城市公共交通系統中發揮了不可替代的作用，其安全性也日益引起大家關注，尤其是地震中結構的安全性尤為關鍵。

地震是地殼運動的結果，也是不可避免的。地面結構的抗震研究起步較早，各國也都制定了相應的抗震設計規范。1995年日本阪神大地震中，神戶市的地下結構遭受了較大破壞，地鐵車站結構破壞嚴重。阪神地震后，眾多學者對地下結構的地震響應特性開展了廣泛的研究。土-結構動力相互作用是一個復雜課題，模型建立、計算參數選取、地震波選取等都需要根據實際狀況確定[1]。

本文基于土-結構動力相互作用理論，建立有限元模型，采用時程分析方法對典型島式地鐵車站結構的地震響應進行分析。

1 工程概況

取廣州地鐵二號線某車站，車站建筑形式為島式雙層三跨鋼筋混凝土框架結構，采用明挖施工方法建造。車站結構標準段橫截面如圖1所示，土體參數如表1所示。

該車站處于軟土地層中，頂板埋深2.5m，為典型的軟土淺埋地下結構。結構抗震設防烈度為7度，地震動加速度峰值為0.10g。結構主體框架材料為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。車站結構有限元模型如圖2所示，模型中將立柱考慮為等效連續墻體。計算邊界按寬度方向取6倍結構總跨度，深度方向取40m，模型計算尺寸為144m×40m。

地震波選取El-Centro波、唐山波、天津寧河波這幾種典型地震波作為地震輸入。進行水平向地震響應分析時，輸入El波、唐山波、天津波南北向加速度時程，加速度峰值調整為1.0m/s2。進行雙向地震響應分析時，只輸入天津波南北向和垂直向加速度時程，南北向地震波峰值調整為1.0m/s2，垂直向地震波不做調整。

為便于對計算結果進行分析和說明，規定了代表結構位置的幾個關鍵節點編號，如圖3所示。

圖1 車站結構截面圖(單位：m)

圖2 土-車站結構有限元模型

圖3 結構關鍵節點編號

表1 土體參數

表2 結構水平位移(單位：mm)

表3 水平向地震作用下結構內力

2 水平向地震波作用下結構響應

在水平向地震波作用下，由于豎向位移較小，只討論結構的水平位移。結構水平位移峰值計算結果如表2所示。計算結果表明：天津波的位移最大，相對位移也最大，上下層相對位移峰值分別為5.78mm、9.85mm，層間位移角為1/957、1/710；El波的位移最小，相對位移也最小，上下層相對位移峰值分別為5.22mm、8.54mm，層間位移角為1/1053、1/820。各層間位移角均小于《建筑抗震設計規范》規定的彈性層間位移角1/550的限值[2]。

在三種地震波作用下，車站結構內力峰值計算結果如表3所示。內力最大的截面出現在側墻與底板相交處，El波的內力峰值最小，彎矩峰值為383.49kN·m；天津波的內力峰值最大，彎矩峰值為416.34kN·m，比El波高出8%。

3 雙向地震波作用下結構響應

同時輸入天津波南北水平向和垂直向加速度時程，結構水平層間相對位移峰值結果見表4，內力峰值結果見表5。雙向地震波作用下，結構層間相對位移峰值增加了7%。結構內力變化較大，側墻與底板交角位置同樣為最大內力控制截面，其中彎矩峰值達572.69kN·m，與水平單向地震波作用相比增加27%。立柱內力變化較大，下柱底部彎矩峰值達196.79kN·m，與水平單向地震波作用相比增加45%。

表4 結構水平層間相對位移(單位：mm)

4 小結

表5 雙向地震作用下結構內力

在同一加速度峰值的不同地震波時程作用下，地下車站結構的響應是不同的，在地下結構抗震設計中應充分考慮這一差異。與水平單向地震波作用相比，雙向地震波作用下結構內力增加較大，在結構抗震計算中應考慮豎向地震波對結構的影響。結構底板與側墻交角截面內力最大，設計中應作為控制截面，設計中應將立柱作為關鍵部件進行加強，可采用加肋勁性柱或鋼管混凝土柱等，以提高結構的強度和延性。

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

［2］中國人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.