典型地鐵車站結構的抗震設計研究

王月輝

摘 要：近年來，隨著城市軌道交通建設的快速發(fā)展，國內外對地鐵車站的抗震分析研究也越來越重視，但現(xiàn)行的抗震分析方法都存在不同程度的局限性，導致用不同方法計算得出的結果存在很大差異。本文基于大型通用有限元計算軟件ABAQUS對濟南市典型地鐵車站結構地震動力響應進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬計算與分析。并與傳統(tǒng)的抗震簡化方法反應位移法和靜力分析等計算結果比較，分析了典型地鐵車站在在地震作用下的動力響應特征，并討論了車站考慮地震工況時的配筋設計，為提高地下軌道交通建筑抗震設計水平、改進地鐵車站建筑抗震設計方法提供了依據(jù)。

關鍵詞：地鐵車站結構；抗震設計

1工程概況

近年來，濟南市加大了城市軌道交通的建設，根據(jù)最新的《濟南市城市軌道交通建設規(guī)劃（2016-2023）》，新一輪的地鐵規(guī)劃除結合第一輪建設規(guī)劃對R2線一期進行調整外，還有8個新增項目，軌道交通遠景線網(wǎng)共有9條線路構成。

根據(jù)現(xiàn)有地震安評報告顯示：本車站工程場地大地構造位于魯西斷塊，從公元408年-2014年12月，本區(qū)域范圍內共記錄到M≥4.7級地震41次，其中6-6.9級地震6次，7-7.9級地震一次，8級以上地震1次。區(qū)域范圍內地震活動處于華北地區(qū)第四活躍期后期，未來100年仍有發(fā)生7級地震的可能。

與地上結構不同的是，地下結構由于受到周圍土體的約束，其在地震作用下的破壞程度明顯低于地上結構。但是1995年日本的阪神地震造成神戶地鐵車站及隧道工程嚴重破壞，這給當時的傳統(tǒng)觀念帶來極大沖擊。由此可見，開展地鐵車站結構抗震性能研究的任務十分緊迫，不僅對濟南市城市交通建設的開展有實際意義，對其他地區(qū)地下結構的抗震設計也有參考價值。

2土-結構相互作用數(shù)值計算模型

本文選取實際工程（濟南市軌道交通）中典型地鐵車站結構為研究對象，如圖1所示結構橫斷面。本車站采用地下三層鋼筋混凝土框架結構，框架結構梁、板、柱截面尺寸及材料參數(shù)見表1。車站高度22.20m，寬度25.69m，中柱沿車站縱向間距為9m。

車站覆土厚度2.82m。土層的選取范圍，一般頂面取地表面，底面取等效基巖面，水平向自結構側壁至邊界的距離宜至少取結構水平有效寬度的3倍。本文土―結構相互作用模型的土層深度取70m，土層兩邊的水平邊界距結構邊取結構寬度的3倍。土層模型參數(shù)見表2。

最終的土―結構相互作用模型見圖2。當?shù)叵萝囌窘Y構沿縱向結構形式連續(xù)、規(guī)則、橫向斷面構造不變，周圍土層沿縱向分布一致時，可只沿橫向計算水平地震作用并進行抗震驗算，抗震分析可近似按平面應變問題處。本文所建立的地鐵車站模型簡化為平面框架，土體采用二維減縮積分平面應變模擬，車站結構柱、板、梁均采用梁單元模擬。

為簡化分析，車站結構與周圍土體采用tie連接，地震時土層與結構假定不脫開。結構與土體均采用線彈性本構模型。模型底部邊界輸入地震動，計算模型側向邊界采用無限元模擬，具體實施步驟參考文獻。平衡地應力采用ABAQUS命令*initial conditions，type=stress，input=FileName.inp，先平衡地應力再施加地震作用。最終的模型節(jié)點個數(shù)4190個，單元個數(shù)4016個。

3地震動選取

擬建場地基本抗震設防烈度按7度考慮，設計基本地震加速度值為0.1g，城市軌道交通的地下隧道抗震設防類別為重點設防類（乙類），本車站抗震等級為三級，并按二級采取抗震構造措施。關于設計地震動參數(shù)的選取，濟南市地下車站基巖處地震加速度時程采用50年超越概率10%（峰值加速度0.089g）和50年超越概率2%（峰值加速度0.15g）兩個概率水準的基巖水平向地震動加速度時程，每概率水準一組。地震動峰值加速度調整至PGA=0.1g，計算式地震波時程截取5-30s。詳見圖3、圖4。

4數(shù)值計算結果及分析

有關研究表明，豎向地震作用對結構影響較小，故對車站斷面只考慮水平方向地震波的影響。根據(jù)動力時程計算結果，分析車站結構位移和內力規(guī)律，限于篇幅，在此僅分析結構在一條地震動下的位移最大值、層間位移、結構的內力最大值以及車站標準斷面的內力及層間位移。

4.1水平向地震作用結果

圖5給出了結構模型和車站結構在地震作用下某一時刻的水平位移圖，地震過程中模型整體沿水平方向發(fā)生了移動，數(shù)據(jù)處理后得到車站結構最大位移為138 mm。

4.2橫斷面層間位移

對車站結構標準橫斷面的位移值進行分析，獲得層間位移差。水平向地震下橫斷面層間位移差見表3。其中地下一層、地下二層和地下三層的最大層間位移角分別為1/629、1/1055、1/1055。由此可見，在水平向地震作用下結構橫斷面層間位移差較小。計算層間位移角滿足《城市軌道交通結構抗震設計規(guī)范》（GB50909-2014）中的抗震性能要求為Ⅱ時，矩形斷面結構層間位移角1/250的要求。

4.3內力分析

圖7給出了在水平向地震作用下，結構某一時刻的最大內力（彎矩、剪力、軸力）云圖。計算結果顯示，結構彎矩、軸力、剪力值均較小，其中彎矩最大值為1948 KN·m，軸力最大值為2184KN，剪力最大值為755KN。靜力及水平向地震作用下中柱軸力見圖7所示。由上圖可知，中柱最大軸力為1182kN，中柱最大軸壓比為1182x9x1000/21.1/700/1400=0.36<0.75。可知在地震組合下中柱柱軸壓比均小于0.75，滿足要求。

對于軌道交通地下結構的地震作用分析和計算常用的方法有地震系數(shù)法、反應位移法，時程分析方法等。地下結構宜按表4選用地震反應計算方法。本文用反應位移法作為對比，驗證用動力時程法的分析結果。

反應位移法以一維土層地震反應計算為基礎，認為地下結構在地震時的反應主要取決于周圍土層的變形。將土層在地震時產生的最大變形通過地基彈簧以靜荷載的形式作用在結構上，以此計算結構反應。其中，地基彈簧是為了考慮結構剛度與土層剛度的不同，定量表示兩者相互作用時引入的單元。采用反應位移法進行地下結構橫截面的抗震計算時，需考慮土層相對位移、結構慣性力和結構周圍剪力三種地震作用。限于篇幅，在此僅給出在相同的地震動作用下反應位移法計算結果，所用軟件為AUTODESK ROBOT2013。詳見圖7所示。

典型車站反應位移分析結果顯示，車站主體結構在地震工況下，軸壓比=1.1*1030.98*9/（0.7*1.4*21.1）/1000=0.49，滿足三級抗震要求。最大彈性層間位移比=（1.8-1.0）/728=1/910，滿足規(guī)范要求。

最后，將時程分析法、反應位移法得到的結構內力值與結構靜力分析結果列表對比，見表5。通過比較發(fā)現(xiàn)，反應位移法得到的內力值普遍大于時程分析法的結果，但是在對結構進行配筋設計時，靜力分析結果起控制作用，說明用現(xiàn)行的靜力分析手段進行車站結構設計是可行的 。但對車站結構上部局部建有建筑物或構筑物時或沿車站結構縱向土層分布有顯著差異時；同時在平面和豎向兩個方向結構變化較多或復雜時，靜力分析結果可能偏于保守，仍需要用時程分析方法建立三維模型分析。

5結語

本文通過大型通用有限元軟件ABAQUS，對濟南市某典型地鐵車站結構進行了動力響應數(shù)值計算與分析，并與反應位移法、靜力分析結果進行了對比，完成了車站結構的設計。分析結果表明：

（1）對于沿縱向結構形式連續(xù)、規(guī)則、橫向斷面構造不變，周圍土層沿縱向分布一致時的典型地鐵車站，可近似按平面應變問題進行抗震驗算，地震工況并不起控制作用，但對于車站結構或土層情況復雜的地鐵車站，這種簡化方法可能偏于保守，需建立車站結構的三維實體模型分析。

（2）反應位移法由于忽略了結構本身慣性力，將地下結構的地震響應歸結于結構所在位置的地層變位，從而把地下結構所受的地震作用簡化為擬靜力，得到的結構內力普遍大于時程分析結果。

（3）對于沿縱向結構規(guī)則、土層變化不大的地鐵車站結構設計，傳統(tǒng)的不考慮地震作用的靜力分析方法往往起控制作用，但對于結構形式復雜、土層沿縱向分布復雜的車站結構，仍需要建立三維時程分析模型與靜力分析方法對比。

參考文獻：

[1]濟南市城市軌道交通建設規(guī)劃（2016-2023）.

[2]濟南市軌道交通R3線一期工程場地地震安全性評價報告.

[3]地下鐵道建筑結構抗震設計規(guī)范（DG/TJ08-2064-2009）.

[4]ABAQUS有限元分析實例詳解.

[5]ABAQUS有限元分析常見問題解答.

[6]城市軌道交通結構抗震設計規(guī)范（GB50909-2014）.