地震區砂卵石地層地鐵車站不同荷載組合下主體結構內力比較

王志杰，何晟亞，鮮一丁，袁曄

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

地震區砂卵石地層地鐵車站不同荷載組合下主體結構內力比較

王志杰，何晟亞，鮮一丁，袁曄

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

為了提高地震區砂卵石地層地鐵車站主體結構的安全性，利用ANSYS數值模擬計算基本荷載組合、標準荷載組合、地震荷載組合以及人防荷載組合情況下的內力值。通過分析得出，不同荷載組合情況下的最大內力值均出現于側墻與底板相交處;不同荷載組合所產生的最大內力值中人防荷載組合的最大，需要予以重視;地震荷載組合的內力是非對稱的，所以車站主體結構的設計需要考慮地震荷載組合。

地震多發帶 砂卵石地層 車站主體結構 數值模擬 荷載組合 人防荷載

地下結構的設計方法，大致可以分為荷載結構模型、地層結構模型、經驗類比模型和收斂約束模型四類［1］。對于城市地鐵車站，考慮到結構主要是被動地承受圍巖松動帶來的荷載，而且埋深較淺，可以確定結構上覆荷載、側向荷載以及結構下部荷載，同時結構的支護剛度足夠大，所以采用荷載結構模型來計算地鐵車站主體結構的內力。

砂卵石地層透水性較強，且具有壓實性好、抗剪強度高、不易液化等優勢。在地震作用下，其地層穩定性仍是一個值得研究的問題。

現在地鐵車站主體結構設計的荷載組合，分別是基本荷載組合、標準荷載組合和地震荷載。另外，由于其他國家在建造地鐵的時候都會考慮到將其作為戰爭避難所，所以考慮人防荷載。通過全面分析四種荷載組合情況下的主體結構應力，得到何種荷載組合情況下出現最大內力值，并分析最大內力值出現的位置，這對地鐵車站來說，都是值得研究的問題。

1 工程背景

某地鐵車站處于地震多發帶的砂卵石地層中，結構為兩層雙等跨單柱形式。由于地面上下環境條件的允許，所以采用明挖法施工。主體結構采用強度等級為C40的鋼筋混凝土，保護層厚度為50 mm。車站主體結構底板埋深為16.29 m，頂板埋深為2 m，其結構每跨為9.05 m，負一層高度為4.9 m，負二層高度為6.35 m?？拐鸱涝O烈度為Ⅵ度，地震分組為第三組，地震動峰值加速度為0.10g，地震設計特征周期為0.45 s。具體的土層參數如表1所示，設計橫斷面簡圖如圖1所示。

表1 土層參數

圖1 地鐵車站設計橫斷面示意

2 荷載組合計算

2.1 基本荷載組合與標準荷載組合

基本荷載組合與標準荷載組合是地鐵車站主體結構荷載計算中的常規荷載組合方式。根據《工程結構可靠性設計統一標準》的規定進行相應的計算。其中基本荷載組合的計算公式為

式中:SGik為第i個永久作用標準值的效應;SP為預應力作用有關代表值的效應;SQ1k為第1個可變作用(主導可變作用)標準值的效應;SQjk為第j個可變作用標準值的效應;γGi為第i個永久作用的分項系數;γP為預應力作用的分項系數;γQ1為第1個可變作用(主導可變作用)的分項系數;γL1，γLj為第1個和第j個考慮結構設計使用年限的荷載調整系數，對設計使用年限與設計基準期相同的結構，應取γL=1，房屋建筑的設計使用年限為100年時應取該系數為1.1。γQj為第j個可變作用的分項系數;ψcj為第j個可變作用的組合值系數。

而標準荷載組合的計算公式為

式中:Gik為第i個永久作用的標準值;P為預應力作用的有關代表值;Q1k為第1個可變作用(主導可變作用)的標準值;Qjk為第j個可變作用的標準值;其余符號與上述公式中符號指代相同。

由以上公式可以計算出基本荷載組合和標準荷載組合，見表2。

2.2 地震荷載組合

按鐵路隧道結構地震作用分析方法計算本車站主體結構地震荷載組合。其中相關設計計算運用的是擬靜力法［2-3］，其公式如下

頂板處的地震均布水平荷載

側墻處的地震均布水平荷載

中板均布荷載，其中人群荷載q人群和設備荷載q設備，取值分別為4 kPa和8 kPa。

各板處的地震水平集中荷載

式中:η為水平地震作用修正系數，非巖石地基取值0.25;m頂板為頂板質量;m側墻為側墻質量;Ag為地震動峰值加速度;B為車站主體結構寬度;H為車站主體結構高度;mi為各板質量。

等效靜力法計算地震作用，其地震主動土壓力由兩部分組成，分別是地震狀態下的主動土壓力增量以及主動土壓力。

地震狀態下的主動土壓力增量計算公式

式中:φE為地震動修正后土的內摩擦角;φ為土的內摩擦角;θ為地震角;λE為地震主動土壓力系數;γE為修正后土的重度;γ為計算點以上土的加權平均天然重度;ei為地震主動土壓力增量;λ為自然狀態下主動土壓力系數;hi為土層厚度。

由以上公式可以計算出地震荷載組合，見表3。地震狀態下，主動土壓力增量計算參數見表4。

表3 主體結構的地震荷載組合情況

表4 主動土壓力增量計算參數

2.3 人防荷載組合

考慮到核武器爆炸動荷載作用下產生的人防荷載，由于頂板埋深為2 m，在不考慮任何系數的情況下，采用最大的人防荷載，假定頂板處人防荷載為70 kPa;底板處人防荷載為55 kPa;側墻處的人防荷載為50 kPa［4-5］。

3 數值模擬分析

3.1 ANSYS數值模型

本車站主體結構的數值模擬利用的是ANSYS，采用荷載結構模型的方式進行計算。利用彈簧來代替地基對結構所產生的地基反力。由于此模型結構與荷載是正對稱，所以中柱在計算中不存在水平位移，故在此處底端添加水平方向的約束，使該點的水平位移為0。經過建模后，本模型單元數為134，網格節點數為114，具體模型見圖2。

3.2 結果分析

地鐵車站在基本荷載組合、標準荷載組合、地震荷載組合以及人防荷載組合情況下的主體結構彎矩如圖3所示。最大彎矩的單元、最大彎矩值以及荷載組合情況見表5。最大剪力的單元、最大剪力值以及荷載組合情況見表6。最大軸力的單元、最大軸力值以及荷載組合情況見表7。可見除地震荷載組合外，基本荷載組合、標準荷載組合以及人防荷載組合的彎矩圖、軸力圖都是正對稱圖形，而剪力圖為反對稱圖形，這種情況與理論相符。

圖2 車站主體結構模型

圖3 不同荷載組合下的主體結構彎矩(單位:N·m)

表5 不同荷載組合情況下的最大彎矩值kN·m

表6 不同荷載組合情況下的最大剪力值kN

表7 不同荷載組合情況下的最大軸力值kN

4 比較分析

通過ANSYS數值模擬得到了在地震多發帶砂卵石地層的車站主體結構的彎矩、剪力和軸力情況。除了地震荷載組合外，其他荷載組合下的彎矩、軸力都具有正對稱性，剪力具有反對稱性。由于地震荷載組合的非對稱性，導致其彎矩、軸力和剪力的非對稱性，所以地震荷載需要考慮到設計中。

根據表5，地震荷載組合下最大的彎矩值小于基本荷載組合的最大彎矩值。人防荷載組合的最大彎矩值大于其余任意一個荷載組合情況下的最大彎矩值，所以人防荷載下的彎矩需要考慮到主體結構設計中。

根據表6，各個荷載組合情況下，剪力的最大值發生于人防荷載組合下。其比基本荷載組合情況下的剪力最大值大了13%，在工程中不可忽視，需要在設計配筋中考慮到人防荷載。地震荷載組合情況下的剪力最大值與標準荷載組合下的剪力最大值相比較，小了5%，在工程中可以忽略。

根據表7，各種荷載組合情況下的軸力最大值均在中柱的最低端處。同時人防荷載組合的軸力最大值遠較其它組合大，在地鐵車站設計中，不可忽視。

5 結語

在地震區卵石地層中，地下結構較為穩定。地震荷載組合對于結構的正常使用情況沒有影響，與其余的荷載組合相比較，數值上沒有太大的差別，但是由于地震荷載組合所產生的內力是非對稱的，所以在設計中需要考慮。對于人防荷載，其內力值均是最大的，可見核爆炸所產生的動荷載對地下結構的影響非常大，所以在地鐵車站設計的同時，需要考慮日后戰爭的需要，將人防荷載作為考慮的因素。

［1］宋玉香，賈曉云，朱永全．地鐵隧道豎向土壓力荷載的計算研究［J］．巖土力學，2007，28(10):2240-2244．

［2］邊金，陶連金，張印濤，等．地下結構抗震設計方法的比較與分析［J］．現代隧道技術，2008，45(6):50-55．

［3］劉如山，胡少卿，石宏彬．地下結構抗震計算中擬靜力法的地震荷載施加方法研究［J］．巖土工程學報，2007，29(2): 237-242．

［4］袁正如，程立國．高層建筑防空地下室的人防荷載估算［J］．地下空間，1996(16):149-152．

［5］劉如山，石宏彬．地下結構橫切面抗震計算中擬靜力計算方法的研究［J］．工程抗震與加固改造，2005，27(增):148-154．

Comparison of internal forces in main structure of metro station buried in sand gravel stratum at earthquake zone subjected to different combination of loads

WANG Zhijie，HE Shengya，XIAN Yiding，YUAN Ye
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In order to improve the main structure safety of the metro station in sand gravel stratum of earthquake zone，the internal force values of basic load combination，standard load combination，seismic load combination and civil defence load combination are calculated by numerical simulation with ANSYS．T he analyzing results showed that each maximum internal force value of different load combination appears in the intersection between side wall and floor，the internal force value of civil defence load combination is the maximum of all，which should be paid more attention，the internal force of the seismic load combination is asymmetry，which means seismic load combination should be considered in station main structure design．

Earthquake zone;Sand gravel stratum;Station main structure;Numerical simulation;Load combination; Civil defence load

TU93+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．17

1003-1995(2015)04-0062-04

(責任審編孟慶伶)

2014-05-19;

2014-09-16

中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西萬榮人，教授，碩士。