帶抗拔樁的地鐵車站結構抗震性能研究

楊少慧

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100020)

1 工程背景

本工程以某地鐵車站為研究對象，該車站為地下兩層雙島四線同臺換乘站，車站標準段寬為50.9 m、高20.13 m，車站長為400.6 m。車站西段設備區結構形式為單層兩跨，車站結構形式為雙層五柱六跨。

本車站勘察的控制性勘探孔最大深度為50.00 m。按照地層沉積年代、成因類型、地層巖性及其物理力學性質對地層進行劃分，根據本車站擬建場地地層分布情況，共劃分為9個大層及亞層。總體看來，地層分布特性為砂土-黏土互層分布，地鐵車站主要位于粉細砂、細中砂和粉質黏土中。

2 地震動參數選取

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB 50909-2014)，本工程抗震設防分類為乙類，車站主體抗震等級為二級，按8度抗震設防烈度要求進行抗震驗算[1]。根據《建筑抗震設計規范(附條文說明)(2016年版)》(GB 50011—2010)附錄A，該站設計地震分組為第二組(特征周期值為0.55 s)[2]。

分別采用地下結構抗震的E2工況(50年超越概率10%的基巖水平地震動時程)，E3工況(50年超越概率2%的基巖水平地震動時程)作為模型的動力荷載輸入，如圖1所示。考慮數值計算模型要求，將場地土層性質及物理力學參數相似的土層進行合并，共合并成10層土，場地土層性質及物理力學參數詳見表1，結構單元參數見表2。

圖1 基巖水平地震動時程曲線

表1 土體物理力學參數表

表2 結構單元參數表

3 數值分析模型建立

采用midas GTS對該工程進行模擬，midas GTS動力模塊可以進行完全動力學分析，基于顯式有限差分法求解系統動力學方程。方程可與結構單元模型進行耦合求解，從而可以求解振動中土與結構相互作用的問題。土體采用摩爾庫倫本構，結構采用彈性本構，采用粘彈性吸收邊界，考慮地震波在土體中的傳播特性，模型的側邊界取3倍的結構寬度，這就避免了地震波反射對結構的影響，模型底邊界取至基準面并不小于3倍的結構有效高度，上表面取至地表。建立的數值模型尺寸X×Y×Z=350 m×36 m×60 m，模型節點數51 885個，單元數102 149個；土體采用實體單元模擬，墻、板采用板單元模擬，梁、柱、樁采用梁單元模擬，數值模型如圖2。

圖2 土層結構模型圖

4 數值模擬結果分析

模型建立完畢之后，首先計算結構特征值，得到結構的特征周期并輸入到動力計算中，沿X方向在模型底部施加動力荷載。

4.1 結構位移對比分析

帶樁基的車站主體結構X向水平位移最大值為10.41 mm，最大值位置一般發生在車站頂板和側墻頂部，其他位置上的位移則較小。不帶樁基的車站主體結構X向水平位移最大值為10.49 mm，最大值位置一般發生在車站頂板和側墻頂部，而其他位置上的位移則較小。

E2工況和E3工況下的地鐵車站層間位移差及位移角對比見表3、表4。由此可以看出，不管是帶樁基的地鐵車站還是不帶樁基的地鐵車站，在地震荷載作用下二者都滿足層間位移角的限制，但是對比地鐵車站層間位移差及層間位移角這兩項指標可以發現，在E2工況下，帶樁基的地鐵車站與不帶樁基的地鐵車站數值線接近；在E3工況下，帶樁基的地鐵車站比不帶樁基的地鐵車站數值偏小，由此可知，抗拔樁對于地鐵車站的抗震性能還是起到了積極的作用。

表3 E2工況下地鐵車站層間位移差及層間位移角對比表

表4 E3工況下地鐵車站層間位移差及層間位移角對比表

4.2 結構內力對比分析

帶樁基的地鐵車站結構的最大彎矩為1 588 kN·m，不帶樁基的地鐵車站結構的最大彎矩為2 248 kN·m，由此可知，在動力荷載下，抗拔樁對地鐵車站結構彎矩的減小幅度比較大。

地鐵車站中柱為邊長1 000 mm×1 400 mm的混凝土柱，帶樁基的地鐵車站中柱最大剪力為Q=271 kN，不帶樁基的地鐵車站中柱最大剪力為Q=279 kN。由此可知，在動力荷載作用下，抗拔樁對于地鐵車站中柱的剪力基本沒有影響。

4.3 抗拔樁內力分析

在動力荷載作用下，抗拔樁剪力圖如圖3所示。對車站底部設置抗拔樁的彎矩進行提取，最大彎矩值為M=2 263.42 kN·m，最大彎矩出現在抗拔樁的頂部，樁頂彎矩的較大值分布在結構的邊緣處，較小值分布在結構的中心處；地鐵車站的抗拔樁為φ1 500 mm的混凝土樁，最大剪力為Q=970 kN，最大剪力出現在抗拔樁的頂部，樁頂剪力的較大值分布在結構的角點處，較小值分布在結構的中心處。

圖3 拔樁剪力圖

5 結 語

本文基于某地鐵車站工程，采用MIDAS-GTS軟件建立有限元分析模型，對帶抗拔樁的地鐵車站和不帶抗拔樁的地鐵車站進行抗震性能對比分析，得到以下結論。

(1)抗拔樁對地鐵結構的位移有減弱的作用，通過考查層間位移差和沉降位移角兩個參數得知，在E2工況下抗拔樁對地鐵結構的位移的減弱作用不明顯，在E3工況下抗拔樁對地鐵結構的位移有明顯的減弱作用。

(2)通過對比帶樁基地鐵車站結構和不帶樁基地鐵車站結構的彎矩可知，抗拔樁對于地鐵車站結構的彎矩有明顯的減弱作用。

(3)通過對比帶樁基地鐵車站結構和不帶樁基地鐵車站結構的中柱剪力可知，抗拔樁對于地鐵車站結構的中柱剪力基本上沒有影響。

(4)在動力荷載作用下，抗拔樁的最大彎矩和最大剪力都出現在樁頂處，且樁頂彎矩的較大值分布在結構的邊緣處，較小值分布在結構的中心處，樁頂剪力的較大值分布在結構的角點處，較小值分布在結構的中心處。

(5)雖然抗拔樁對地鐵車站結構的抗震性能有積極的作用，在動力荷載下可以對地鐵車站結構起到一定的保護作用，但其本身也會產生較大的彎矩和剪力，這對抗拔樁本身的受力情況是不利的，所以有必要對地鐵車站結構的抗拔樁進行動力分析計算。