半地面側式站臺地鐵車站抗震分析

楊旭升，李少語，馮紅喜，楊 捷

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450050）

1 概述

近些年，我國城市軌道交通快速發展，其中以地下線居多。考慮到我國是地震多發國家，需對地下車站進行抗震分析。現階段采用的反應位移法、反應譜法等，都能近似地對地下車站結構進行抗震分析，滿足抗震設計的需求。但對于半地面車站，尤其是增加了車站跨度的側式站臺車站而言，還沒有可以借鑒的資料。因此，對半地面車站結構進行抗震分析，完善各類地鐵車站抗震的構造措施，具有十分重要的工程應用價值。

研究半地面地鐵車站的抗震，首先要分析地下結構與地上結構震動響應規律的不同之處，主要有以下幾點：①地下結構由于受到周圍土層的約束，其自身不會表現特別明顯的振動特性，但地面建筑則會呈現明顯的自身振動特性；②較小的地震波入射角度變化就會造成地下結構較大的震動響應，而地面建筑則受此影響較小；③地下結構的振動響應主要受周圍土層的應變或變形影響，而地震加速度則與地面建筑受震產生的振動反應關系緊密。

總體來說，地下結構的振動響應主要來自于地下結構和周圍土層相關作用關系；地上建筑結構形狀、質量、剛度等自振特性的變化，則對地面結構反應的影響很大。

2 抗震計算方法

地下結構與地上結構震動響應規律的不同，導致兩者對地震的計算方法不同。對于地下結構，主要采用反應位移法、時程分析法及反應譜法，其中以反應位移法使用最為廣泛。對于地上結構，多采用陣型分析的反應譜法直接進行三維抗震分析。本文選取呼和浩特市軌道交通2號線一期工程某半地面側式站臺車站作為研究對象，分別采用反應位移法及反應譜法對其進行抗震分析，研究抗震工況下土體與結構的相互作用及破壞機制。

3 計算模型

擬建車站為地上一層+地下一層的側式站臺車站，采用單柱雙跨框架結構，標準段底板埋深 9.16 m，出地面層高 6.35 m，位于抗震設防烈度 8 度區內，地震動峰值加速度值為 0.20g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，地震動反應譜特征周期均為 0.35 s。地面 20 m 深度范圍內的土層均不液化，車站結構設計使用年限為 100年，抗震設防分類為乙類，性能要求為Ⅰ類，抗震等級為二級。車站結構示意圖見圖 1。

計算分析中，采用 SAP84 對車站橫截面進行二維計算，采用 PKPM 對整個車站進行三維計算，采用理正工具箱對縱梁進行二維計算。

圖1 主體結構標準斷面圖（單位：mm）

取單寬截面對地下、地上結構進行二維靜力計算和反應位移法計算，結構計算模型見圖 2。該模型與地下車站的區別主要在于多出的地面結構，由于地面結構也多采用框架形式，計算時的模型采用與地下結構相同的簡化方法，仍將柱子等效為對應方向的隔墻。所受荷載主要為側向風荷載、水平地震荷載、屋頂雪荷載及檢修荷載。

由于對純地下結構抗震已有較多研究，并且在車站東端純地下結構部分設有變形縫，所以本次三維抗震計算暫不考慮純地下部分。PKPM 三維計算模型如圖 3 所示，其中右端為地下變形縫。將計算結果與反應位移法計算結果進行對比，分析地下結構與地上結構震動響應規律的不同，并對半地面車站的抗震規律進行總結。

圖2 反應位移法受力荷載簡圖

圖3 PKPM 三維整體分析計算模型

4 結構抗震計算結果分析

4.1 結構變形分析

（1）采用反應位移法計算，設防地震和罕遇地震作用下車站結構的位移如圖 4、圖 5 所示。由圖 4、圖 5可見，設防地震工況下的最大位移值為 -19.2 mm，最大彈性層間位移角為 1/579；罕遇地震工況下的最大位移值為 -42.3 mm，最大彈性層間位移角為 1/292。

（2）采用 PKPM 三維計算，計算結果如圖 6、圖 7所示。由圖 6、圖 7 可見，設防地震工況下的最大位移值為 -12 mm，最大彈性層間位移角為 1/757。

由此可見，在設防地震作用下，車站結構最大層間位移角均小于 1/550，可以認為結構處于彈性工作階段，構件截面及配筋均滿足抗震計算要求；在罕遇地震作用下，車站結構最大層間位移角小于 1/250，可以認為結構仍處于彈塑性工作階段，不會出現局部或整體倒毀的情況。

4.2 結構內力分析

4.2.1 板、墻、柱內力分析

表1 給出了靜力工況及地震工況下結構板、墻、柱計算內力結果，由表 1計算結果可以得出以下結論。

（1）在地震工況作用下，中柱可滿足軸壓比限值的要求，表明半地面車站的中柱在設防地震工況下有較好的延性。但結構中柱與中、底板相交處，剪力和彎矩較大，屬于薄弱部位，需增加其抗震性能，此點與地下車站結構類似。尤其本站作為半地面站，在地震工況下，周邊環境及約束的不同會增加各層板的層間位移差，從而對車站結構產生更大的破壞，實例中中層間位移角基本都接近限值也印證了這一點。在設計施工時，應予以充分重視。

圖4 設防地震標準下水平位移（單位：mm）

圖5 罕遇地震標準下水平位移（單位：mm）

圖6 PKPM 三維計算最大水平位移

圖7 PKPM三維計算最大層間位移角

（2）對于各層板結構，PKPM 三維計算基本采用桿系有限元計算（剪力墻采用殼單元除外），不考慮樓板的抗震作用，僅對其進行了四邊支撐板的靜力分析。梁柱僅考慮樓板傳遞的樓面恒活載，而不考慮樓板剛度對整體受力的影響。該車站出地面頂板即為此種情況。靜力工況下，PKPM 三維計算結果與 SAP84 二維計算結果基本相同，模型簡化較符合實際。

（3）出地面結構的屋面板與地下車站的各層樓板存在區別。出地面結構的頂板，與考慮覆土重及設備荷載的地下各層較厚板相比，其板厚相對較薄。地下車站各層板板厚較厚、剛度較大，屬中厚板范疇，不僅承受平面外彎矩，還承受面內水平軸力。各層板和地下側墻（剪力墻）一起作為一個剛度較大的整體參與抗震計算，常用的二維簡化模型比較適用。而對于地上結構部分，采用 PKPM 進行梁柱框架的計算較為合適。

（4）對于地下結構側墻，由于本站站前出入場線及正線上下穿關系，導致車站埋深相較于正常地面站較深，車站地下主體結構側墻較高，并且為側式站臺、單柱雙跨結構，導致側墻基本由地震工況控制，表 1 內力計算結果也印證了該結論。

4.2.2 梁內力分析

選取公共區中縱梁（圖 8）作為研究對象，將理正二維及 PKPM 三維計算結果進行對比。圖 9、圖 10 分別給出了理正二維及 PKPM三維計算彎矩圖。通過對比圖9、圖 10 中板縱梁計算結果可以看出：

（1）相較于常規車站，本站 8 度抗震工況下，縱梁支座處的彎矩由抗震工況控制；

（2）對于跨中彎矩，由于本站為側式站臺，橫梁跨度較大，且橫梁破壞了原來的單向板受力，造成橫梁傳遞給縱梁的荷載比較大，部分作用有橫梁荷載的中縱梁跨中彎矩增加較多，這時用 PKPM 三維計算得到的內力結果更符合實際。

表1 靜力工況及地震工況結構內力計算結果

圖8 中板梁平面圖（單位：mm）

圖9 理正二維計算彎矩圖（單位：kN · m）

5 結論及建議

（1）對于半地面車站整體而言，地下結構由于受周邊土體的約束，地震變形反應相對較小，起控制性作用的位移都產生于地上結構，但地下結構比地上結構內力反應大。對于地上結構，常用的靜力模型已不適用，采用陣型分析的反應譜法進行梁柱的框架計算更為合理。

（2）除滿足抗震要求之外，半地面車站的特殊性導致了其抗震設計的復雜性。半地面車站出地面結構長度一般在200 m 以內，按照民建設縫原則，需設置2～3 道變形縫。若向下設置通縫，則會對屏蔽門、公共區設備等的布置造成影響。此時，地面廳范圍內的地下結構可不設縫，可僅在地上結構頂板設縫，這樣既滿足半地面車站的抗震性能要求，又不影響車站的建筑功能布置及使用。

圖10 PKPM 三維計算彎矩圖（單位：kN · m）