地鐵車站抗震設(shè)計分析

張亮

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽 110013)

地鐵車站抗震設(shè)計分析

張亮

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽 110013)

以沈陽地鐵某站為工程背景，選取地鐵車站主體結(jié)構(gòu)建立合適的有限元模型，采用反應(yīng)位移法對車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震力計算，并將靜力工況下和地震力工況下的計算結(jié)果進(jìn)行比較，得出地鐵車站在地震力工況下的薄弱部位，以及車站結(jié)構(gòu)的控制工況。

地鐵車站，反應(yīng)位移法，抗震分析

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車數(shù)量快速增加，城市路面交通擁堵問題已日益嚴(yán)重。目前，廣大民眾出行優(yōu)先選擇具有運量大、速度快、綠色節(jié)能等優(yōu)點的地下鐵道公共交通系統(tǒng)，我國已進(jìn)入地鐵建設(shè)的黃金時期。

截止目前，我國尚無完善的、針對性的地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法及相關(guān)設(shè)計規(guī)范。本文通過理論計算與工程實例的結(jié)合，對地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計算分析，找出地震工況下車站結(jié)構(gòu)薄弱部位，并通過與靜力計算結(jié)果相比較分析，得出車站結(jié)構(gòu)控制工況。

1 工程概況

沈陽地鐵某站標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m，頂板覆土約4.1m，車站底板埋深約17.85 m，車站周邊既有高層住宅樓、電力管溝、高壓電塔等控制性建筑物。主體結(jié)構(gòu)采用地下兩層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。站址處土層從上至下依次為:雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、礫砂。勘察期間穩(wěn)定地下水位埋深14.4 m～16.6 m。站址處地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g，場地類別Ⅲ類，反應(yīng)譜特征周期Tg=0.35 s。

表1 主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸表 mm

2 地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計算

地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法［1-5］，地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法主要有靜力法和動力法兩種。靜力法是將隨時間變化的地震力或地層相對位移以等效的靜力或靜地層位移的形式施加在地下結(jié)構(gòu)上，再用靜力計算模型進(jìn)行分析計算。常用的靜力法有地震系數(shù)法和反應(yīng)位移法。用靜力計算方法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，其量值一般偏大于動力法，一般地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時常采用靜力法計算。

地下結(jié)構(gòu)地震中一般不會產(chǎn)生比周圍巖層更為劇烈的震動，主要原因:第一，地下結(jié)構(gòu)因包含凈空，其外觀換算密度通常比周圍土體小，從而使得地震發(fā)生時，作用在其上的慣性力也較小;其次，即使地下結(jié)構(gòu)物的震動在瞬間比周圍土體劇烈，但因其震動受到圍巖包裹、約束，很快收斂變小，并與地層震動保持一致。這時，地震對地下結(jié)構(gòu)施加的作用，主要是車站結(jié)構(gòu)隨周邊圍巖一同產(chǎn)生的變形，慣性力的影響則可忽略不計。天然地層在地震時，其震動特性、位移、應(yīng)變等會隨不同位置和深度而有所不同，從而會對其中的地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。這種不同部位位移差會以強(qiáng)制位移的形式作用在結(jié)構(gòu)上，從而使得地下結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力和位移。以這一概念建立起來的抗震分析方法稱為“反應(yīng)位移法”，其特點是以地下結(jié)構(gòu)所在位置的地層位移作為地震對結(jié)構(gòu)作用的輸入。

1)本文采用反應(yīng)位移法對地鐵車站進(jìn)行抗震設(shè)計驗算(如圖1所示)。

圖1 反應(yīng)位移法車站荷載示意圖

圖2 彎矩示意圖

圖3 剪力示意圖

2)計算結(jié)果與靜力工況和地震工況配筋結(jié)果對比分析。

本文中車站主體結(jié)構(gòu)主要對如圖5所示內(nèi)力控制截面的地震工況及靜力工況(本文直接引用計算結(jié)果，計算過程略)配筋計算結(jié)果進(jìn)行比較。

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范5.4節(jié)、DG TJ08—2008地下鐵道建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范(上海市工程建設(shè)規(guī)范)規(guī)定，地震力作用下，荷載組合時，設(shè)計值需考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE=0.85。

圖4 軸力示意圖

圖5 內(nèi)力統(tǒng)計斷面示意圖

由表2可見，計算混凝土截面配筋均為非地震工況下構(gòu)件的裂縫寬度(根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范裂縫寬度限值迎土面 wmax≤0.2 mm，背土面wmax≤0.3mm)所控制，即滿足靜力工況下的裂縫寬度要求時均滿足地震工況下的承載力要求。

3)罕遇地震工況下的變形驗算。

地震荷載、彈簧剛度、剪切力計算、慣性力計算同1)，但需注意計算地震荷載時罕遇地震的地震動峰值位移:

層間位移角驗算。

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范要求混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值〈θp〉宜取1/250。本站計算結(jié)果:站廳層層間位移角:(0.011 5-0.002 57)/5.9=1/661＜1/250;站臺層層間位移角:(0.005 87-0.002 57)/6.7=1/2 030＜1/250。可見，在罕遇地震作用下，車站結(jié)構(gòu)仍滿足混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角小于1/250的要求。

表2 反應(yīng)位移法地震工況與靜力工況內(nèi)力及配筋結(jié)果對比表

3 結(jié)語

通過對沈陽地鐵某站結(jié)構(gòu)抗震的計算，可得出如下結(jié)論:車站結(jié)構(gòu)中柱的地震軸力較大，底板與車站兩邊下側(cè)墻銜接部位剪力和彎矩均較大，為薄弱部位。車站結(jié)構(gòu)總體滿足抗震設(shè)防性能要求，截面配筋受裂縫寬度控制。抗震設(shè)計的重點是加強(qiáng)構(gòu)造措施，對于淺埋矩形框架結(jié)構(gòu)的車站，宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，避免采用裝配式和部分裝配式結(jié)構(gòu)。特別應(yīng)保證側(cè)墻板與頂板、梁板與柱節(jié)點的剛度、強(qiáng)度及延性。加強(qiáng)中柱與頂板、中板鋼筋連接，可能的情況下，中柱采用鋼骨或鋼管混凝土柱代替鋼筋混凝土柱，增加延性，提高抗震性能。

［1］ 孫 鈞，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)1［M］.北京:科學(xué)出版社，1987.

［2］ ［日］川島一彥.地下構(gòu)造物的抗震設(shè)計［M］.東京:鹿島出版社，1994.

［3］ GB 50157—2013，地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ 施仲衡，張 彌，王新杰，等.地下鐵道設(shè)計與施工［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［5］ 林 皋.地下結(jié)構(gòu)抗震分析綜述(上)［J］.世界地震工程，1990(32):1-10.

On analysis of anti-seism ic design of subway stations

Zhang Liang

(Shenyang Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd，Shenyang 110013，China)

With reference to ametro station in Shenyang，the subway station structure is selected with finite element numericalmodeling，then calculation using the seismic deformationmethod，comparing the stastic calculation result to seismic calculation result，we can take the conclusions that themax stressing place of the station structure in seismic force，and the controlling working condition.

subway station，seismic deformation method，seismic analysis

TU352

A

1009-6825(2015)29-0042-02

2015-08-03

張 亮(1983-)，男，工程師