上軟下硬地層大跨度車站抗震風險控制分析

張建國

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251）

1 引言

近年來，相關學者對復雜場地的地鐵車站結構的抗震性能進行了系統研究，但地下結構抗震設計領域受到的關注還不是很充分[1]。雖然《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB 50909-2014）、《地下結構抗震設計標準》（GB/T 51336-2018）、《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（2016版）[2-4]等標準在近年相繼頒布。但是城市地下結構的地震損失機理和分析方法的研究尚有許多亟待解決的問題[5]。李新星[6]等對反應位移法和反應加速度法在地鐵車站結構抗震設計的適用性進行了分析，推薦在均質土層采用反應加速度法作為抗震設計方法。劉晶波、陶連金等[7-11]對地下結構抗震分析方法進行了全面分析，但僅限于理論層面。本文對處于上軟下硬地層的大連地鐵5號線后關村站進行設防地震和罕遇地震作用下的動力響應平面時程分析，以期為地鐵工程地震風險控制和設計提供重要的依據。

2 工程背景

后關村站為大連地鐵5號線終點站，車站長度349 m，標準段寬42.9 m。車站為地下二層雙島4線車站，與大連地鐵1號線北延線設置換乘，站臺寬度11 m。其場地范圍內上部約2.7 m厚填土，下部為中風化石灰巖，頂板覆土約1～6 m。車站主體結構標準段采用三柱四跨框架結構（局部為四柱五跨），采用明挖放坡法施工。車站標準橫斷面如圖1所示，標準斷面結構構件尺寸見表1。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）、《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB 50909-2014）有關規定：場地抗震設防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，基本地震動峰值加速度為0.15g，反應譜特征周期為0.4 s。

表1 后關村站標準斷面結構構件尺寸表 mm

圖1 車站標準橫斷面圖（單位：mm）

3 平面時程模型建立

3.1 模型尺寸

根據計算分析需要，模型尺寸長×寬為170 m×60 m，模型單元總數為 16464個，節點總數為16311個。為減弱地震波的吸收和反射效應，模型2個側面為自由場邊界（動力人工邊界），底面為固定約束，上邊界為自由地表，如圖2（部分截圖）、圖3所示。模型中，土體采用四邊形和三角形平面應變單元模擬，車站梁、板、墻、柱均采用梁單元模擬。

圖2 土層-結構網格圖

圖3 車站主體結構網格圖

3.2 地震波選用

根據《大連市軌道交通 5 號線地震安全性評價報告》的內容及抗震設計條件，將大連地鐵5號線地表設計地震動參數分為3個區，后關村站為Ⅲ區；本次時程分析計算選取6組地震波，分別計算50年超越概率10%、2%這2種概率水準的地震波各3條，不同情況下的地震加速度（ACC）時程曲線如圖4、圖5所示。（E2為設防地震、E3為罕遇地震）

圖4 E2地震下ACC時程曲線

圖5 E3地震下ACC時程曲線

3.3 計算斷面布置

根據動力時程分析中結構位移和內力的分布規律，選擇車站主體結構上5個計算斷面進行計算分析，計算斷面選取位置如圖6所示。

圖6 結構計算橫斷面位置圖

4 E2地震作用下的時程計算分析

4.1 結構變形計算

4.1.1 水平方向位移

在E2地震3條地震波分別作用下，工況1（對應地震波1）至工況3（對應地震波3）車站主體結構水平方向位移最大值分別為9.33 mm、9.95 mm和11.4 mm，如圖7a～圖7c所示，沿X軸方向最大變形發生在車站頂板中部位置。

圖7 E2地震各工況計算斷面水平位移（單位：mm）

4.1.2 橫斷面層間位移

表2、表3給出了各個工況下，車站主體結構的層間位移差和位移角統計值。

表2 E2地震作用下層間位移差 mm

4.2 結構內力計算

針對3個工況，進行結構斷面彎矩、剪力和軸力的計算，典型內力云圖如圖8所示。綜合3個工況的統計結果見表4。

圖8 E2地震工況1下典型內力云圖

表4 各工況典型內力統計表

彎矩、剪力、軸力云圖計算結果分析表明工況 1、工況2及工況3最大彎矩為2485 kN · m、最大剪力為772 kN，最大軸力為15136 kN，軸壓比為0.61（軸壓比限值0.75）。這說明在設計地震作用下，結構設計滿足抗震性能 Ⅰ要求。

5 E3 地震作用下時程計算分析

5.1 框架水平位移計算

圖 9給出了車站主體結構的最大水平位移值。工況4至工況6下，車站主體結構X軸方向位移最大值分別為35.3 mm、25.6 mm 和21.46 mm，沿X軸方向最大變形發生在車站頂板跨中位置。

圖9 E3地震作用下框架位移圖（單位：m）

5.2 各橫斷面層間位移計算

圖 10 給出了工況 4下3個斷面的頂板和底板層間位移差。表5、表6給出了車站主體結構的層間位移差和位移角統計值。

圖10 各斷面處層間位移差時程曲線圖

表5 E3地震作用下層間位移差 mm

表6 E3地震作用下層間位移角

結構層間位移差及層間位移角最大值分別為 35.3 mm 和 1/523，層間位移角小于 1/250。在 E3 地震作用下，結構設計滿足抗震性能 Ⅱ要求。

6 結論

（1）在設防地震作用下，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。車站構件截面尺寸及配筋均由準永久荷載組合作用下的裂縫計算控制，抗震工況不起控制作用。

（2）在設防地震作用下，車站中柱軸壓比均不超過0.75的限值，滿足規范要求。

（3）在罕遇地震作用下，車站彈塑性層間位移角均未超過1/250的層間位移角限值，可以認為結構局部處于彈塑性工作階段，但損壞情況處于可修的范圍之內。

（4）經地震作用分析和結構強度、變形驗算，地下車站結構均滿足抗震設防要求，且地震工況對構件截面尺寸和配筋不作控制，抗震設計的重點是加強抗震構造措施。