巖土體彈性模量對地鐵車站地震響應的影響

王曉敏

(西安科技大學高新學院，陜西 西安 710050)

0 引言

隨著我國城市經濟的快速發展，很多城市重視并修建地鐵工程，同時對地下結構抗震性能問題提出了更高的要求。而數值模擬分析能夠滿足地下結構的抗震性要求，能夠幫助地鐵工程大幅度提高抗震性能。據相關調查顯示，目前國內外大多是利用二維模型分析方法對地下結構抗震問題進行分析，二維模型分析法在長期的運用過程中是具有科學性的，也可以為抗震建筑的建設起到重要作用。但隨著城市經濟的快速發展，地下空間的利用越來越廣泛，地下建筑也日益復雜，如果仍舊采用二維模型分析方法進行模擬分析，存在一定的片面性，無法展示工程的實際概況[1]。因此，需要運用三維模型模擬分析當前結構復雜的地下結構抗震問題，將地下建筑的結構立體地展現出來，方便人們施工改造。

鑒于上述分析，本次研究將利用大型通用有限元分析軟件ANSYS作為結構數據的模擬工具，以鄭州雪松路地鐵車站作為案例，構建三維有限元模型，分析不同工況下巖土體彈性模量對地鐵車站結構地震的影響，為以后類似的地鐵工程建設提供參考。

1 工程概況與基本假定

雪松路站的位置是鄭州市中原區鄭上路與雪松路交叉口處，是鄭州軌道1號線的03合同段，同時也是鄭州軌道1號線的第七座車站。雪松路站呈東西走向建設，位于鄭上路北側綠化帶的地下，東邊是西流湖站，西邊是鐵滬站，該站的西北方向不遠處還有一座加油站。雪松路站共設4個出入口，8個風亭，2個緊急消防疏散通道，消防疏散通道和風亭均為頂出。

為了將不同三維模型的動力響應準確模擬出來，提高模擬分析的高效性，可以采用以下基本假定：

（1）地鐵車站地下以及周邊的土層都是均質的，而且各個土層之間相互獨立，很好地粘結成一個整體，不會出現滑移、脫落等現象。

（2）地鐵車站結構的地震波是源于基巖面，基巖面各點運動一致，整個系統的阻尼與振動頻率無關，不考慮地震波斜入情況，其特性使用材料阻尼輸入[2]。

（3）假設地基土液化及孔隙水壓變化不會對地下結構地震問題產生影響，同時也不用考慮地震會引發地基沉降和失穩等問題。

（4）在分析動力響應時，假設車站頂板、區間隧道等不會對地下結構產生影響。

2 相應參數及模型的建立

2.1 相應參數

本文研究的車站為單柱兩跨地下兩層鋼筋混凝土框架箱型結構，其主體結構的外部長313m，寬20.7m，高13.55m，頂板覆2.5m，中板使用的是C35混凝土，中柱材料為C50混凝土，其余的梁、墻和板的材料為C35防水混凝土，抗滲等級P8。

本文選用的地鐵車站位于地形平坦、場地平整的平原地區，場地標高為123.60m。根據相關資料可知，該場地的地基土位于45m以上的屬于第四系沉積地層，按照巖性、性能等進行劃分，可以分為雜填土、強風化粉砂等地質層，一共有七層。

2.2 模型的建立

根據以上基本假定和材料參數，為了無限接近實際工程情況，可以采用ANSYS構建三維有限元模型。其中，使用梁單元模擬車站主體結構的梁和柱，使用殼單元模擬車站主體結構的其他，使用實體單元模擬車站主體結構的土體，土-地下結構體系有限元計算模型尺寸：水平橫向尺寸為103.5m，水平縱向尺寸為63m，模型高度為45m。特別注意的是，在運用有限元法進行模擬分析時，需要把無線區間轉化，使其變為有限區間[3]。如果土-結構模型的寬度要比車站結構大5倍時，那么動力分析結果則與無線空間分析結果沒有多大差別。從三維模型收斂問題角度考慮，在模型邊界處，只固定相應邊界垂向約束即可，模型底部為完全固定，上表面為完全自由邊界，四周只約束相應的水平位移。

要想將車站四周的土體與結構的非線性動力之間的相互作用真實地反映出來，需要將車站四周土地設計成柔性接觸面，并且選用CONTA173單元，將車站結構外的混凝土設計成剛性目標面，并且選用TARGE170 單元。由于接觸剛度十分重要，決定了兩個表面之間入侵量大小，因此本文選取FKN值為105。

本次研究是根據上述要求，利用APDL方式來進行三維模型建立。為了將地鐵車站在地震作用下的反應基本規律真實地反映出來，需要從地鐵車站中選取中間部分截面，即Z軸-31.5m，并且將其定為關鍵節點，通過研究這些關鍵節點的地震反應規律就可以基本確定車站結構的反應規律。車站結構具有對稱性特征，在車站結構的關鍵處找出具有代表性的13個點作為關鍵點來進行分析。

3 土體彈性模量對地下結構的地震響應的影響

車站的地下部分對地震的反應情況與其地基的地質情況關系密切，受到地基土變形的影響，地基土變形情況決定了地下結構是否安全。通常，加固地層能夠減小結構周邊土層變形情況，是常用的減震方法。本文主要是對不同工況下彈性模量對地下結構的影響進行分析和研究。其中，工況一的彈性模量是原有巖土體；工況二的彈性模量是原有巖土體增大1.2倍；工況三的彈性模量是原有巖土體增大1.5倍。在這三種工況下，模型參數不變，將水平方向el-centro 波輸入進去，計算出車站的動力響應。

3.1 位移分析

不同工作狀況下，建筑結構主要節點的位移值比較如圖1所示。

圖1 各工況下主要節點的水平位移

工況二、工況三結構的最大位移與最大水平相對位移見圖2~5。

圖2 工況二下結構的最大位移

圖3 工況二下結構最大水平相對位移

圖4 工況三下結構的最大位移

圖5 工況三下結構最大水平相對位移

通過分析可以看出，當巖土的彈性模量增加，車站結構的關鍵節點的位移就會減小，車站主體結構關鍵點的水平位移會減小。巖土體的彈性模量越大，水平位移減小得越明顯。相應的，車站主體結構的動力性能有很大改善，結構頂板位移下降幅度為10.36%、樓板位移下降幅度為10.15%、地板位移下降幅度為9.74%，同時主體結構關鍵點的最大相對位移也會減小，幅度大約為21.5%。各關鍵階段的位移峰值與最大相對位移，會伴隨車站巖土體彈性模量的增大而提前到最大值[4]。具體來看，工況二提前時間是0.6s，工況三提前時間是1.2s。由此可見，在地震荷載下，車站巖土體的剛度越大，剪切變形越小，對地鐵車站結構變形的影響就越小，反之越大。

3.2 應力分析

不同工況下，地鐵車站結構的各個節點最大應力具體見圖6。

由圖6柱狀圖可知，在不同巖土體彈性模量下，各主要節點的最大主應力響應規律基本一致，土體彈性模量越大，結構部位的應力減小得越明顯[5]。其中，最大主應力最大的減小幅度為8個節點，最小減小幅度是2個節點，分別可達到35.03%與3.04%。提高巖土體彈性模量對減少地震荷載作用比較明顯。

圖6 各工況下各節點的最大主應力

工況二、三下結構的最大等效應力云圖見圖7、圖8。可以看出結構云圖規律基本趨于一致，隨著土體彈性模量的增大，結構最大等效應力峰值提前達到，工況二應力峰值提前0.6s到達，工況三提前1.0s到達。在這一過程中，主體結構的頻譜特性有所改善，最大等效應力的減小幅度達到6.17%。通過分析可知，土體彈性模量增大，車站結構的約束也會隨之增大，相應的車站結構變形減小，應力也會減小。

圖7 工況二下結構的最大等效應力

圖8 工況三下結構的最大等效應力

4 結束語

本文針對鄭州雪松路地鐵站，采用ANSYS建立土—結構相互作用的三維有限元模型，研究在巖土體彈性模量影響因素下，地鐵車站結構的地震動力響應規律，由計算分析得出以下結論：

（1）巖土體的彈性模量增大，車站主體結構的關鍵點水平位移會減小，主體結構的動力性能有所改進。

（2）不同巖土體彈性模量下，結構主體的主要節點最大主應力響應規律變化不大。土體彈性模量增大，主體結構的各個部位應力會減小，對于減少地震荷載作用比較明顯。

（3）隨著巖土體彈性模量的增大，結構最大等效應力峰值提前達到，結構的頻譜特性得到改變，同時，增大了對車站結構的約束從而減小了車站結構的變形和應力。