軌道交通地下車站結構抗震性能化設計分析

王鵬

摘要：在目前城市發展過程中，隨著人口數量不斷增長，需要更多的城市基礎設施投入使用，不但要滿足人們的生活需要，同時也要利用更多的空間，從而使城市交通壓力獲得緩解。在當前城市交通建設過程中，增加多種軌道交通設施，不僅要求軌道交通具有穩定的運輸能力，同時在使用過程中，要增加多種安全質量保護措施，使軌道交通能夠具有較高的抗震能力。

關鍵詞：軌道交通工程;地下車站結構;抗震設計

1抗震性能分析方法概述

實際工程中，主要通過數值模擬對地下結構的抗震性能進行理論分析。常用的數值模擬方法可分為以反應位移法、反應加速度法為代表的擬靜力法，和以反應譜方法、時程分析法為代表的動力分析法兩類。反應位移法根據一維土層地震反應分析得到土層相對位移，由土層變形計算得到內力，并以地基彈簧的形式施加靜荷載于結構上，從而獲得結構的響應。反應加速法通過一維土層地震反應分析獲得的動力響應，計算得到不同深度處水平有效慣性加速度，并將其按體積力的方式作用與結構上，最終得到結構的響應。擬靜力法缺陷在于靜力計算所得內力一般較實際動力值偏大，且對地震波的等效處理往往難以符合其不規則動態傳播的實際情況。反應譜方法相對于擬靜力法增加反映了地震的頻譜特性，但仍無法考慮地震力持續作用的影響，其本質上屬于一種修正的擬靜力分析方法[1]。

2抗震設計論證方法

2.1分析方法比選

隨著我國城市軌道交通工程施工不斷發展，在目前地下車站結構抗震設計中，主要按照該工程客流要求，地質環境條件等多種因素進行考慮，并在對結構抗震能力設計和計算過程中，需要按照以下方法進行計算：

（1）地震系數法;（2）反應位移法;（3）反應加速度法;（4）時程分析法。

在上述抗震設計計算方法中，需要設計人員充分掌握地下車站承擔的客流壓力，同時根據地質結構進行綜合的考慮，從而使用簡單快捷的抗震設計方法，使抗震設計要求更加符合地下車站結構使用標準。

2.2車站反應位移法

計算模型按照城市對交通工程不同要求，在進行地下車站結構抗震設計中，根據客流運行能力和地質環境特點，使用反應位移法進行抗震計算時，先將三種作用力進行分析和研究：

（1）結構慣性力;（2）土層相對位移力;（3）結構周圍剪力。

地下車站結構發生震動過程中，上述三種作用力的產生會加速結構出現質量問題，同時由于地下空間中地質環境遭到破壞后，使地下車站承受更多的荷載作用[2]。地下結構抗震設計時，要按照土層相對位移和土層剪力分別的特點，能在豎向位置中減少對地下車站結構的影響。按照空間中作用力分布位置的不同，結構受到作用力的同時，由于地質結構產生的巨大荷載，從而導致土體變化速度不斷加快，加劇對地下車站結構的破壞。

2.3二維平面時程分析法

圍繞不同地下車站結構具有的抗震性能，按照二維平面時程分析法進行抗震設計時，通常將地下車站結構的抗震能力提升到Ⅱ級，同時增加多種抗震保護措施，防止地下土體結構發生變化時，能對地下車站結構起到良好的保護作用。根據地震動力時程變化特點，要將地下車站結構出現的抗震問題進行綜合的分析，有效減少對地下車站結構受到進一步的破壞。在目前應用二維平面時程分析法過程中，將地下車站結構進行二維平面分析，對震動產生的動力能量計算在結構邊界中，當土體結構發生變化時，按照結構具有的彈塑性能，對地下車站結構外部起到保護作用。

2.4反應位移計算模型運用

采用反應位移法進行地下結構橫截面的抗震計算時，需考慮結構慣性力、土層相對位移和結構周圍剪力三種地震作用，結構慣性力根據地震作用下的加速度直接施加。研究表明，地下結構在地震作用下隨周圍土體一起振動，加速度、位移等結構反應與周圍土體基本一致。所以土層相對位移和土層剪力的豎向分布，可以不考慮車站結構的影響，根據地層的一維波動模型計算[3]。一維波動模型計算中，所需場地土的靜、動性能參數有土層波速、土的重度、動剪切模量及阻尼比與剪應變關系曲線、基巖處地震加速度時程，參數按工程場地地震安全性評價報告取值。

在進行軌道交通工程地下車站結構抗震設計的過程中通常將整體軌道交通工程地下車站結構橫向震動變形數據作為核心參考資料，并按照軌道交通工程地下車站結構周邊的土壤作為結構的整體支護地基由于軌道交通工程地下車站結構具有多樣化特點，因此在構建模型的過程中通常會將三維立體模型轉變為二維平面進行分析。

3結構抗震性能化設計

3.1小震作用下彈性計算

對于高架車站結構，此類結構既不是典型的橋類、也不是典型的建筑結構類，彈性設計必須綜合橋與建筑結構的分析計算方法，同時綜合性的選擇兩種規范相關要求進行分析設計，結構設計時采用偏于橋梁軟件CIVIL和偏于建筑結構軟件SATWE進行對比分析。有效質量系數均大于90%，計算振型數足夠;結構周期比、層間位移角，最大位移比及縱橫橋向位移均滿足規范限制的要求。表明計算結果合理可信，可以作為設計依據。

3.2罕遇地震作用下結構靜力彈塑性驗算及動力彈塑性驗算

高架車站結構在罕遇地震作用下的驗算常為彈塑性位移角的驗算，未能真實地反映結構的各種響應、結構進入塑性的先后次序、結構整體進入塑性的程度以及結構的薄弱部位和薄弱構件[1]。當按大震不屈服進行結構彈塑性設計時，其材料強度采用標準值，不考慮剪重比、薄弱層、0.2V0調整等地震力調整，不考慮荷載分項系數，不考慮抗震承載力調整系數。采用YJK編制的PushoverAnalysis進行大震下靜力彈塑性分析，采用中國建筑科學院編制的PKPM-SAUSAGE軟件進行大震下動力彈塑性分析。通過結構在大震作用下的彈塑性分析，結合結構整體反應指標和結構構件的抗震性能分析可知：

3.2.1罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時，由計算結果可知罕遇地震作用下結構基底剪力與多遇地震基底剪力的比值約為4.9倍，地震作用量級合理;由能力曲線圖可知譜曲線與需求譜曲線交于能力譜的直線部位表明結構抗震性能良好。

3.2.2罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時，需求點對應的加載步下各層的X向層間位移角和Y向層間位移角均小于1/50，滿足規范限值要求。

3.2.3罕遇地震作用下動力彈塑性分析時，結構基底剪力為多遇地震基底剪力的2.5～5倍之間，地震作用量級合理;各工況動力彈塑性位移角均滿足規范罕遇地震下層間位移角1/50的限值要求。

3.2.4根據結構損傷云圖得知，墩柱底輕微損壞已進入塑性階段，框架結構的豎向構件（關鍵構件）大部分輕微損壞，局部輕度損壞，轉換構件 （關鍵構件）大部分均為輕微損壞，框架梁（耗能構件）基本為輕度損壞，基本滿足性能目標的要求[2]。但局部轉換梁（邊梁）由于承受區間橋梁荷載較大重度損傷，應對其局部不滿足構件通過調整截面或配筋，直至滿足要求。

結束語：未來在促進城市軌道交通事業發展的過程中，為保持高架車站良好的應用狀況及效果，需要給予其結構設計更多的關注，且在有效的設計措施支持下，完善這類結構設計方案，提升其在城市軌道交通高架車站方面的潛在應用價值。

參考文獻：

[1]張朋來，王志虹，劉琳.關于軌道交通地下車站結構抗震等級的探討[J].山西建筑，2017（28）：45～47.

[2]胡海迪.地鐵地下車站結構抗震分析及設計[J].建筑工程技術與設計，2016（34）：722.

[3]張有桔，王飛，沈洪波.軌道交通工程地下車站結構抗震設計[JI.工程與建設，2016（3）：361～364.