某大跨度中庭無柱地鐵車站的抗震計算分析

馮煜坤

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

一般人們認為，由于受到周圍巖土體的約束，地下結構的抗震性能一般比地面結構好，地震時地下結構不會發生像地上結構那樣的坍塌或者毀壞，所以地下結構抗震問題在很長一段時間里并沒有引起人們足夠的重視。近些年發生在世界范圍內的多次強地震對地下結構造成嚴重破壞，其中1995 年日本阪神大地震后，大開車站的破壞使世界掀起對地下結構抗震研究的熱潮。莊海洋等[1]對阪神地震中大開地鐵車站震害進行仿真數值分析，杜修力等[2]根據數值模擬及還原現場情況等對該地鐵站破壞的原因及機理進行詳細的總結。隨著全國范圍內地鐵建設的推進，各種富有特色的車站不斷涌現，為了減少震害破壞概率，在地鐵車站施工前對地鐵車站的抗震性能驗算及分析是十分有意義的。事實上，國內已有許多對不同結構形式的車站抗震性能的針對性研究。莊海洋等[3]對兩層三跨式地下車站抗震性能進行研究，陳國興等[4]、左熹等[5]研究了近遠場地震作用下三層三跨式地鐵車站結構在液化地震下的反應，陳磊等[6]對三拱立柱式地鐵地下車站結構進行了分析，劉庭金[7]等對有無柱地鐵車站的地震響應進行了對比分析。為了更充分了解大跨中庭無柱車站的地震下受力情況及位移情況，本文基于MIDAS GEN/MIDAS GTS NX有限元軟件，對蘇州地區某大跨中庭無柱車站進行二維反應位移法計算以及三維非線性時程分析計算，以期為大跨度中庭無柱車站的抗震設計提供參考。

1 地下結構抗震設計方法

1.1 反應位移法

采用反應位移法進行地下車站結構橫向地震反應計算時，可將周圍土體作為支撐結構的地基彈簧，主要考慮土層相對位移、結構慣性力和土體剪力。反應位移法是我國軌道交通設計主要的計算方法[8]，計算模型如圖1 所示。

圖1 反應位移法

1.2 動力時程分析法

時程分析方法通過輸入某段時間的地震加速度形成的波，將土體和結構單元視作共同位移的整體，在保證節點耦合的情況下，可以計算地下結構中土體的位移以及內力、應變。時程分析法的計算模型見圖2。

圖2 時程分析法

2 中庭無柱站實例分析

2.1 工程概況

本文研究的車站為蘇州市某地下二層單柱雙跨島式車站，公共區采用無柱結構，而設備區采用標準的有柱結構，車站標準段、無柱段截面及構件尺寸如圖3 所示。車站標準段采用800×1200 尺寸的C45 混凝土柱，車站頂、中、底板、側墻及梁采用C35鋼筋混凝土。

圖3 車站橫斷面對比

本站所在地的土體參數如表1 所示。本站50 年超越概率為10%的地表加速度為0.138g，從而確定抗震設防烈度為Ⅶ度（第一組）；場地土屬中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類[8]。本站抗震設防類別為重點設防類，按照抗震等級二級采取抗震措施[8]。

表1 土層物理參數

2.2 E2 地震作用下結構計算

E2 地震作用下基于有限元分析軟件MIDAS GEN 建立二維有限元模型進行分析。為減少計算成本，模型簡化為平面應變模型，土體簡化為僅受壓土彈簧作用在結構上。計算模型如圖4所示。

圖4 車站計算模型對比

對結構最大層間位移進行匯總，見圖5，驗算E2 工況設防地震作用下層間位移角限值，如表2 所示。

圖5 地震偶然組合位移對比（單位：mm）

表2 水平設防地震作用下結構層間位移角驗算

2.3 E3 地震作用下結構計算

對該車站主體進行三維建模，采用非線性時程分析法計算結構在E3 地震作用下的動力響應。采用Midas GTS NX 進行計算分析。巖土采用摩爾—庫倫本構模型，板、墻—采用殼單元，梁、柱采用梁單元。計算模型周邊采用約束邊界，側面采用粘性人工邊界。非線性時程分析模型如圖6。

圖6 車站三維有限元模型

根據地震安全性評價報告，輸入1 組人工合成地震波的加速度時程曲線，如圖7 所示，E3 地震峰值加速度為0.2g。

圖7 E3 地震波的加速度時程曲線

地震波截取0～30s 這一段的加速度時程曲線進行計算。地震波作用下，結構層間位移時程曲線如圖8～圖9 所示；E3 地震作用要求結構的層間位移角不大于1/250[8]。

圖8 負一層層間相對位移時程曲線

圖9 負二層層間相對位移時程曲線

車站主體斷面層間相對位移最大值匯總表和層間位移角最大值匯總表如表3 所示。

由表3 可見，三組地震波作用下右岸街站主體斷面層間位移角均小于限值1/250，在E3 地震作用下車站結構整體變形滿足性能等級要求。

表3 層間相對位移最大值匯總

3 總結

經過對該車站的地震相應計算分析，對比不同地震波作用下，中庭無柱和標準有柱兩種結構的地震響應特性，得到主要結論有如下。

（1）在E2 地震作用下，2 種車站結構形式都有產生位移，其中有柱車站的側墻與頂板連接處、頂板與中柱連接處的位移較大；無柱車站在側墻與頂板連接處的位移較大。可以得出結論車站的構件連接處為抗震的薄弱點，因此在抗震設計中應注重對這些節點進行加強。

（2）經過對比分析，在E2 及E3 抗震計算分析中，中庭無柱段的位移和有柱段的位移相比都較小，經初步分析認為無柱段對頂板側墻等構建進行加強的緣故，無柱段側墻厚1m，而有柱段側墻厚0.7m，無柱段側墻與頂板交界處截面加大至1.6m，有柱段側墻與頂板交界處無特殊措施。這些地方皆為抗震的薄弱位置，證明加強抗震位移薄弱處是較為有效的抗震措施。