復雜地質條件下地鐵車站抗震特性數值分析與工程防護

王慶瀚

摘 要：地鐵車站抗震分析是地鐵設計的重要環節，土巖交界面位置與車站結構形式都是影響車站抗震性能的重要因素，該文通過Midas GTS/NX軟件對濟南地鐵R3線龍洞莊站進行三維非線性抗震時程分析，結合車站工程地質特點，分析巖層縱向變化與車站結構形式變化對車站抗震性能的影響，并結合工程實際提出針對性的抗震構造措施，保證車站抗震性能滿足工程需要，確保車站結構安全。

關鍵詞：抗震分析 數值模擬 巖層縱向變化 抗震防護措施

中圖分類號：TU435 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0059-02

地鐵車站抗震設計是保證地鐵安全施工與運營的重要環節，由于濟南地質條件的特殊性，對地鐵車站的抗震性能要求也更為嚴格。研究表明，車站周邊土體與車站結構的動力相互作用將明顯改變場地周圍土體的動力反應特性，進而影響地鐵車站乃至周邊地表建構筑物的穩定，若不采取有效的防護措施，將給車站的施工乃至后期運營帶來安全隱患。車站地質縱繼面如圖1所示。

1 工程概況

龍洞莊站位于濟南南部，屬山間溝谷地貌單元。地形總體南高北低，巖層南高北低，局部地勢起伏較大，自南向北逐步遞減，地面標高184.26～194.73 m。地層自上而下依次為素填土、粉質粘土、碎石土、中風化石灰巖（破碎）與中風化石灰巖。車站埋深18.4～21.8 m，覆土2.4～5.3 m，車站為兩層地下島式車站，車站小里程段為局部三層站，頂板高度縱向存在3次變化，結構形式較復雜。

2 車站三維抗震數值分析

該工程屬于重點設防類，車站抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，設計地震分組第三組，按高于該地區抗震設防烈度一度的要求加強抗震措施。地震波如圖2所示。

選取龍洞莊站兩處頂板高度變化處進行建模分析。模型的尺寸為194 m×140 m×55 m，車站結構采用板單元模擬，車站柱和梁采用梁單元模擬，單元數88 252個，采用粘彈性人工邊界進行處理。模型地質參數詳見表1，數值模型見圖3。

將地震波在模型X、Y、Z3個方向以1∶0.85∶0.7的比例施加于模型基巖底面進行抗震模擬，計算步長為0.02 s，并進行位移、內力統計分析，位移云圖見圖4～圖5，位移統計見表2。

由計算云圖可知，在地震過程中模型整體沿X正方向位移最大值為187.7 mm；相對位移最大值出現在位于兩層段頂板高度變化處，土巖交界面較低。通過分析地震荷載作用下結構內力分析可知，地震作用下，車站彎矩最大值集中于車站腳部與柱端部，最大值出現在兩層段頂板高度變化處，彎矩最大值為1320 kN·m，車站三層與兩層段交界處與兩層段中部出現應力集中現象。

由位移統計分析表可知，水平X方向地震作用下結構橫斷面層間位移差均較小，最大位移差發生在三層段地下一層，最大層間位移角為1/815，小于1/250，符合地鐵抗震設計規范要求。

3 車站抗震防護措施

根據數值計算結果與工程實際情況綜合確定車站主要抗震防護措施如下。

（1）遵循“強柱弱梁”原則，嚴格控制車站框架柱的軸壓比小于0.85，采用柱全高箍筋加密措施，并控制柱箍筋間距與肢距滿足抗震規范要求。

（2）梁中線應與柱中線重合，節點區梁腰筋應貫通，并配置附加腰筋和雙向拉筋，梁端1.5倍梁高范圍內采用箍筋加密處理。

4 結論

（1）巖層縱向變化對車站抗震特性有明顯影響，土巖交界面較低時，車站層間位移較大。

（2）由Midas時程分析可知，車站縱向結構形式變化處位移變化較大，受震時易產生應力集中。

（3）結合數值分析與工程實際，對車站梁柱結構采取有針對性的抗震防護措施可有效地提高車站抗震特性，保證工程安全。

參考文獻

[1] 李猛.基于時程分析的某地鐵車站抗震分析研究[D].石家莊鐵道大學，2015.

[2] 張鵬，劉春陽，張繼清.北京地鐵車站結構抗震分析[J].鐵道標準設計，2014（1）：97-101.

[3] 賀萬里.基于土—結構相互作用的地鐵車站抗震的動力有限元響應分析[D].中南大學，2011.

[4] 劉晶波，李彬.地鐵地下結構抗震分析及設計中的幾個關鍵問題[J].土木工程學報，2006（6）：106-110.