某在建地鐵車站動力特征響應分析

朱 長 城

(1.中鐵文化旅游投資集團有限公司，貴州 貴陽 550002; 2.中鐵四川生態城投資有限公司，四川 仁壽 620561)

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某在建地鐵車站動力特征響應分析

朱 長 城1,2

(1.中鐵文化旅游投資集團有限公司，貴州 貴陽 550002; 2.中鐵四川生態城投資有限公司，四川 仁壽 620561)

按照建筑結構荷載規范，選取了昆明某在建地鐵的最不利荷載工況，基于ANSYS有限元軟件，對該地鐵車站進行了地震作用下的動力時程分析，結果表明：該地鐵車站整體位移很小且振動非常穩定，在該地區能夠實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”抗震設防原則。

地鐵車站,地震作用,動力時程分析,結構特征響應

0 引言

1995年的日本阪神大地震造成神戶市大量的鋼筋混凝土地下結構不同程度的破壞[1]，特別是地鐵車站等結構曾出現嚴重的震害以及次生災害[2,3]。地鐵車站的破壞主要集中在混凝土中柱及側墻的上下端部，表現為中柱燈籠狀屈曲的壓縮破壞和剪切破壞及側墻角部的開裂，最終造成頂板折斷，結構倒塌[4]。隨著我國城市地鐵建設的發展，地鐵地下車站體積愈來愈大，結構愈來愈復雜，這些大型復雜地鐵車站結構的抗震可靠性成為防災減災研究的熱點及難點課題[5]。而目前為止，國內還缺乏完善的地鐵車站結構抗震設計計算方法，更無針對地鐵車站的設計規范?，F階段，設計人員多參照《建筑抗震設計規范》[6]和《鐵路工程抗震設計規范》[7]中的“地下建筑”部分對地下車站進行抗震設計。因此，本文基于土層—結構時程分析對于在建的昆明某地下車站進行抗震性能分析顯得十分必要。其不但可以指導本地鐵車站的設計與施工，還可以為其他類似的地鐵車站設計提供參考，具有重要的理論與現實意義。

本文基于ANSYS有限元軟件建立昆明某地鐵車站有限元模型(考慮不同荷載效應組合)，分別輸入El-Centro波、天津波和一組人工模擬的加速度時程曲線，進行動力時程分析。之后，對結構的不同動力響應特征進行分析，指導結構設計與施工。

1 數值分析的基本假設

1.1 有限元模型

本文采用有限元程序ANSYS建立昆明某地鐵車站模型并進行動力時程數值分析。該地鐵車站為3層2跨，其結構橫剖面如圖1所示，相應有限元模型如圖2所示。車站埋深為5 m，車站頂板和底板厚為0.9 m，中間板厚0.4 m，側墻厚度為1.0 m，中柱寬度為0.8 m。地下1層高度為10.75 m，地下2層高度為6.64 m，地下3層高度為6.55 m。兩跨寬度均為12.0 m。模型邊界采用粘彈性邊界模擬無限域的影響[8]。

1.2 材料參數

本地鐵車站的土體和隧道結構均假定為彈性材料，不考慮塑性變形。土體的密度為2 000 kg/m3，彈性模量為300 MPa，泊松比為0.25，剪切波速為200 m/s，縱波速度為350 m/s。車站結構采用C35混凝土。車站結構與周圍土體接觸面的相互作用行為通過接觸力學的方法進行考慮。其中接觸面法向假定為“硬接觸”，接觸面切向力學行為設置為“罰函數”，即切向力為庫侖摩擦力。土體和車站橫截面劃分為1 m×1 m的網格。

1.3 荷載及組合

1)永久荷載計算。結構自重按實際重量計算；覆土豎向土壓力按截面以上全部土柱高水土合算計算，側向土壓力則按水土分算計算；靜水壓力及浮力根據地下水位高度采用全水頭進行計算。

2)可變荷載計算。路面車輛荷載按汽—超20等級計算；施工期間基坑側面超載按20 kPa計算；站廳、樓梯、管理用房、站臺上人群活荷載標準值按4 kPa計算；列車車輛設計軸重140 kN。

3)偶然荷載計算。地震荷載按設防烈度8度計算。

4)荷載組合根據相關規范要求進行。

1.4 地震波輸入

根據《建筑抗震設計規范》5.1.2條規定，多遇地震作用下取三組加速度時程曲線——兩組實際強震記錄(El-Centro波和天津波)和一組人工模擬的加速度時程曲線。本地鐵車站所在地區抗震設防烈度為8度，場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第3組。查閱《建筑抗震設計規范》：場地特征周期為0.65 s。所選3組波形簡介如下：

1)El-Centro波。El-Centro波，1940年美國加利福尼亞州帝谷(Imperial Valley)地震時在埃爾森特羅(El Centro)測得N—S方向加速度記錄[10]。持時53.73 s，最大加速度峰值為341.7 cm/s2(見圖3)，場地土屬Ⅲ類，震級6.7級，震中距11.5 km，近震;

2)天津波。寧河天津波地震記錄，1976年寧河地震時在天津醫院測得N—S方向加速度記錄。持時19.19 s，最大加速度峰值145.80 cm/s2(見圖4)，適合Ⅲ類,Ⅳ類場地土，震級6.9級;

3)人工波。根據場地條件和反應譜特性，選擇如圖5所示的人工波，頻率2.4 Hz，持時30 s。

2 結構的響應分析

該地鐵車站結構的響應主要包括結構自振頻率和地震動作用下的變形分析。分析結構的受力性能及是否滿足規范相關要求。

2.1 結構自振模態和頻率分析

模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，是系統識別方法在工程振動領域中的應用。模態是結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼和模態振型。通過求解結構的自振頻率可以了解該結構的基本振動特性，避開這些基本頻率，防止共振。同時，結構自振頻率還可以代表結構整體的剛度，頻率低表示結構的剛度低；反之，則說明結構的剛度很高。本文采用ANSYS有限元程序計算了該地鐵車站的前6階自振模態(見圖6)，固有頻率(見表1)。

由圖6可見，車站結構的變形主要發生在2層,3層梁處，四周梁和柱結構形成近似一個箱形構件，變形相對于2層,3層梁較小。這種受力狀態符合《建筑抗震設計規范》“強柱弱梁”的結構抗震思想。

表1 自振頻率 Hz

從表1可見，該地鐵車站的基本自振頻率為2.37 Hz，相應基本自振周期為0.42 s。該基本自振周期位于《建筑抗震設計規范》中“地震影響系數曲線”的“水平段”，即地震動影響最大處，常遇地震對其影響比較大。

2.2 動力時程計算結果及分析

根據規范要求，對車站分別輸入El-Centro波、天津波和人工波(兩條天然波和一條人工波)，進行動力時程分析。

限于篇幅，本文僅給出了El-Centro波作用下結構的響應特征，包括應力云圖(如圖7所示)和變形圖(如圖8所示)等。

從圖7中可以看出，相比于車站周圍構件，第2層和第3層梁上應力較大。從圖8中可以看出，第2層和第3層梁的變形較大，最大位移為11.64 cm，出現在第2層樓板處。這與1995年日本阪神地震中神戶大開地鐵車站破壞模式相似。同時，這種受力模式符合“強柱弱梁”的設計思想，能夠保證地鐵車站破壞時有足夠的延性。

在結構變形圖的基礎上，進一步給出了變形最大處和梁柱節點處的節點位移曲線(見圖9)。

對圖9進行初步分析后，可以看出：

1)比較圖9a)～圖9c)可知，X向最大節點位移僅為-1.20 cm，而Y向最大節點位移為-11.07 cm，占最大節點總位移的95%，這一現象表明第2層和第3層梁以豎向振動分量為主；

2)豎向振動平衡位置位于-7.60 cm處(見圖9b))，表明第2層和第3層梁發生了較大的幾何位移，該幾何位移與靜力荷載的施加有較大關系；

3)從圖9d)可見，頂層梁柱節點位移最大值僅為0.3 cm，遠小于梁的最大節點位移，且振動較為穩定，表明結構整體位移較小；

4)比較圖9c)和圖9d)可知，結構整體位移遠小于梁體局部的最大節點位移，且振動非常穩定，表明該地鐵車站具有良好的抗震能力。

為了便于統計與對比分析，本文對三條地震波作用下所計算的結構特征響應進行總結(見表2)。

表2 三種地震波作用下結構的特征響應

從表2可見，最大應力位置均位于第2層梁處，最大節點位移均位于第2層梁，整體位移都非常小。結構的整體位移均遠小于梁局部位移，能夠實現“強柱弱梁”的抗震思想。

3 結語

本文首先對昆明某在建地鐵車站進行了較為精確的有限元建模并開展了模態分析；之后基于有限元軟件ANSYS輸入三條地震波(兩條天然地震波和一條人工波)進行動力時程計算；最后，對結構響應數據分析發現：

1)通過模態分析發現，該車站結構的變形主要集中于第2層和第3層梁處，四周梁和柱的變形較小，剛度較大；

2)地震波作用下，結構的局部應力和變形較大，集中于第2層和第3層梁處，而結構整體變形很小，體現了《建筑抗震設計規范》“強柱弱梁”的結構抗震思想；

3)總體來說，該地鐵車站整體位移很小且振動非常穩定，在本地區能夠實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”抗震設防原則。

[1] Sanata S, Ohuchi H, Matsuda T. A study of the damage of subway structures during the 1995 Hanshin-Awaji earthquake[J]. Cement and Concrete Composites,1997,19(3):223-239.

[2] 王瑞民,羅奇峰.阪神地震中地下結構和隧道的破壞現象淺析[J].災害學,1998,13(2):63-66.

[3] 楊春田.日本阪神地震地鐵工程的震害分析[J].工程抗震,1996(2):40-42.

[4] 郭建剛.地鐵車站結構抗震設計計算方法探討[J].鐵道勘測與設計,2013(6):17-20.

[5] 杜修力,王 剛,路德春.日本阪神地震中大開地鐵車站地震破壞機理分析[J].防災減災工程學報,2016,36(2):165-171.

[6] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[7] GB 50111—2006,鐵路工程抗震設計規范[S].

[8] 夏 晨,趙伯明,王子珺,等.地震作用下地鐵車站橫截面變形的影響因素研究[J].土木工程學報,2015,48(S1):132-136.

A study on seismic response of subway station

Zhu Changcheng1,2

(1.ChinaRailwayCultureTourismInvestmentGroupCo.,Ltd,Guiyang550002,China;2.ChinaRailwaySichuanEco-CityInvestmentCo.,Ltd,Renshou620561,China)

Select the worst load effect combination for the Kunming metro station based on the load code for the design of building structures, carry out the elastic dynamic time-history analysis for the metro station using the software ANSYS. The results show that the metro station can achieve the principle of three level fortification as three states of work:safety(undamaged), intermediate(repairable) and failure(destruction) as the little global response and stable vibration.

subway station, geological process, dynamic time-history analysis, structure characteristics of the response

1009-6825(2017)10-0050-04

2017-01-24

朱長城(1981- )，男，高級工程師

TU311.3

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