大跨度地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震分析

李會(huì)峰

摘 要：當(dāng)前，我國城市發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)張，人口總數(shù)也在持續(xù)增加，造成城市交通出現(xiàn)嚴(yán)重的擁堵現(xiàn)象。地鐵由于其運(yùn)量大、安全快捷且節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為人們不可或缺的交通工具。截至2018年，我國已有超過35個(gè)城市開通了地鐵，通車?yán)锍踢_(dá)5000km，除此之外，還有許多城市在積極規(guī)劃地鐵交通網(wǎng)。我國是世界上地震災(zāi)害最頻繁的國家之一，地鐵車站往往是人流密集的地方，一旦在地震中發(fā)生破壞，將會(huì)帶來極大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此，研究大跨度地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震措施具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：大跨度;地鐵車站;結(jié)構(gòu)抗震

隨著我國城市化的迅速發(fā)展，城市用地日趨緊張，城市地下空間的開發(fā)利用對(duì)于緩解城市交通壓力起著關(guān)鍵作用。地鐵作為一種獨(dú)立的交通系統(tǒng)，并不受地面道路情況的影響，在城市交通中發(fā)揮著巨大的作用，我國近些年來地鐵的數(shù)量在迅速增加，截止2017年末，我國已有62座城市里的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃獲批，總里程達(dá)7321km，其中已運(yùn)營長度達(dá)5033km。相對(duì)于地上結(jié)構(gòu)而言，地鐵車站結(jié)構(gòu)完全埋置于地下，受到周圍巖土體的約束及加固作用，人們潛意識(shí)認(rèn)為地鐵車站的抗震性能優(yōu)于地上結(jié)構(gòu)，又因其為數(shù)不多，震害的影響較地上結(jié)構(gòu)較小，故長期以來，地鐵車站的抗震并沒有得到人們的重視。1985年，墨西哥8.1級(jí)地震致使建在軟弱地基上地鐵側(cè)墻與地表結(jié)構(gòu)相交部位產(chǎn)生過大裂縫而破壞的現(xiàn)象;1995年，日本阪神地震造成了大開車站等毀滅性破壞，產(chǎn)生巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失;2008年汶川發(fā)生的8.0級(jí)大地震導(dǎo)致了多條隧道的坍塌;因此，地鐵車站的抗震性能分析日漸成為了引起人們重視的問題。

1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

抗震結(jié)構(gòu)主要是指在針對(duì)可能發(fā)生的地震等災(zāi)害進(jìn)行的分析，以保障相關(guān)地鐵車站使用人員人身安全和經(jīng)濟(jì)安全為目的進(jìn)行的，綜合決策和評(píng)判系統(tǒng)在當(dāng)前地鐵車站設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)。地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別設(shè)置中，其主要根據(jù)抵御的地震強(qiáng)度和重要性程度來進(jìn)行相關(guān)的劃分，即按地鐵車站所在地區(qū)，受地震破壞時(shí)產(chǎn)生的損失與影響而進(jìn)行的劃分。目前的抗震設(shè)防類別設(shè)置中，可將地鐵車站結(jié)構(gòu)分為以下三類：甲類抗震地鐵車站結(jié)構(gòu)、乙類抗震地鐵車站結(jié)構(gòu)、丙類抗震地鐵車站結(jié)構(gòu)。地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別不同，其抵御相關(guān)地震災(zāi)害的作用的取值和抗震措施的采取方式也不盡相同。

2 工程概況

該地鐵車站為地下兩層雙島四線越行站，標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱雙跨斷面形式，車站長647.6m、寬40.88m，單跨20.44m，頂板覆土3m，底板埋深20.2m。該地鐵車站抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震等級(jí)為三級(jí)，車站埋深范圍主要地層為淤泥層、粉質(zhì)黏土層及全、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度調(diào)整系數(shù)為1.25。

3 大跨度地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震策略

3.1 靜力作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算

分別考慮最低水位工況（水位取至底板底）、最高水位工況（水位取至地面）進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)組合計(jì)算，車站兩跨跨度一致，靜力作用下內(nèi)力呈軸對(duì)稱特點(diǎn)，其中除低水位工況計(jì)算結(jié)果中頂板跨中與邊支座內(nèi)力比高水位工況計(jì)算結(jié)果大之外，其余特征截面受力均由高水位工況控制。

3.2 E2地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及包絡(luò)內(nèi)力

進(jìn)行E2地震作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，不驗(yàn)算裂縫寬度，地下水位按常水位（埋深1m）考慮，結(jié)果顯示E2地震作用下慣性力、強(qiáng)制位移荷載為非對(duì)稱荷載，導(dǎo)致內(nèi)力計(jì)算結(jié)果非對(duì)稱，因此取最不利截面進(jìn)行受力復(fù)核。主要對(duì)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段頂板、中板、底板及側(cè)墻支座和跨中內(nèi)力控制截面各個(gè)工況進(jìn)行配筋計(jì)算和對(duì)比分析。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)橫剖面承載力計(jì)算和裂縫寬度驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，截面的配筋均能滿足正常使用工況下裂縫寬度要求，其最大裂縫寬度限值迎土面為wmax≤0.2mm，背土面為wmax≤0.3mm，即滿足正常使用工況下裂縫要求的同時(shí)均滿足地震工況下的承載力要求。

3.3 E3地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

E3地震作用下重點(diǎn)設(shè)防類地下結(jié)構(gòu)的抗震性能要求為II級(jí)，須進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體變形性能分析。筆者采用非線性時(shí)程分析法對(duì)地鐵車站在E3地震作用下的整體變形進(jìn)行了分析計(jì)算。巖土采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。計(jì)算模型底面采用固定邊界，側(cè)面采用黏性人工邊界，模型底面取至強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層面。

3.3.1 阻尼計(jì)算

3.3.1.1 邊界阻尼

在節(jié)點(diǎn)布置法向和切向的黏滯阻尼器，單位面積的阻尼系數(shù)根據(jù)如下公式計(jì)算：

式中：CP為法向阻尼，N·s/m;CS為切向阻尼，N·s/m;E為彈性模量，MPa;μ為泊松比;ρ為密度，kg/m³;A為面積，m2;G為剪切模量，MPa;為體積模量，MPa。根據(jù)上述公式，邊界阻尼可由土體的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)計(jì)算得到。MidasGTSNX能夠根據(jù)上述公式自動(dòng)計(jì)算邊界阻尼。

3.3.1.2 土體內(nèi)部阻尼

土體內(nèi)部阻尼采用Rayleigh阻尼，它將整體阻尼矩陣[C]用整體質(zhì)量矩陣[M]和整體剛度矩陣[K]的線性組合來表示：

公式（5）中的比例常數(shù)α和β可由下式確定：

式中：ω1、ω2為振型參與質(zhì)量最大的前兩階振型的自振頻率;ξ1、ξ2為相應(yīng)振型的阻尼比。

通過特征值分析計(jì)算前兩階振型的自振頻率。特征值分析時(shí)不施加任何阻尼（包括邊界阻尼）及荷載，只有底面的固定邊界。經(jīng)計(jì)算，該模型中前兩階振型的自振頻率分別為：ω1=0.5671342，ω2=0.5676105。土體阻尼比按常量0.05考慮，將ω1、ω2代入公式（6）、（7）計(jì)算得到α=0.178245218、β=0.0140256193。

3.3.2 地震動(dòng)模擬

地震發(fā)生時(shí)，從震源釋放的部分能量以波的形式向四周傳播而形成地震波，它可以分為縱波、橫波和面波。橫波和面波到達(dá)時(shí)地面振動(dòng)最強(qiáng)烈，一般認(rèn)為地震在地表面引起的破壞主要來自橫波和面波的傳播。因此進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，為簡單起見，一般僅考慮由基巖發(fā)生的橫波沿土層向上傳播的作用。

地震作用輸入采用振動(dòng)法，即假定設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面（基巖）上各點(diǎn)的地震加速度在同一時(shí)刻是相同的，設(shè)為{üg}。令{üg}為計(jì)算區(qū)域各點(diǎn)相對(duì)基巖的相對(duì)加速度，則運(yùn)動(dòng)方程如下：

運(yùn)動(dòng)方程等號(hào)右側(cè)的地震慣性力作用在土體和結(jié)構(gòu)上，模擬地震作用。基巖地震加速度{üg}通過地震加速度時(shí)程曲線輸入。E3地震作用II類場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.22g，III類場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度調(diào)整系數(shù)為1.25，故該地鐵車站E3地震作用峰值加速度為0.22g×1.25=0.275g。

不同地震波作用下結(jié)構(gòu)水平位移均為頂部大、底部小，底板相對(duì)基巖位移較小，對(duì)于兩層地下結(jié)構(gòu)，層間位移趨近于線性變化。

結(jié)構(gòu)層間位移角均小于GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的限值4×10-3，因此在E3地震作用下車站結(jié)構(gòu)整體變形滿足性能等級(jí)為II級(jí)的要求。

4 結(jié)語

隨著人們對(duì)于地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重視程度的增加，對(duì)于相關(guān)的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)的研究也逐漸成為了當(dāng)前地鐵車站設(shè)計(jì)研究中的重點(diǎn)內(nèi)容，簡而言之，人們更多地希望通過抗震設(shè)計(jì)提高地鐵車站的穩(wěn)定性，為此，相關(guān)的研究與設(shè)計(jì)人員需要能夠立足于地鐵車站設(shè)計(jì)與施工的具體流程，進(jìn)行更為合理的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周寶學(xué).芻議高層地鐵車站結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用策略[J].江西建材，2016（12）：52-52.

[2]高茹茹.抗震設(shè)計(jì)在地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].四川水泥，2016（4）：71-71.

[3]魏璉，王森.中國地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法發(fā)展及若干問題分析[J].地鐵車站結(jié)構(gòu)，2017（1）：1-9.