大跨度無柱車站抗震措施分析研究

任一恒

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州）

前言

地下車站作為一種復雜的建筑結構，面臨著地震等多種自然災害的威脅。結構形式對地下車站的抗震性能具有非常重要的影響。首先，地下車站的結構形式直接決定了其抗震能力。不同的結構形式具有不同的剛度和耗能能力，而這些性能直接關系到車站在地震發生時的受力性能。例如，拱形結構相較于框架結構可以更好地吸收地震產生的側向位移，從而減少地震損傷，而一般框架車站的側向剛度相對較低，容易發生側向變形和倒塌。因此，在地下車站的結構設計中應根據不同的地震區域和地質條件，選用合適的結構形式，以保證車站的抗震能力。

在地下車站的結構形式抗震措施的研究過程中，專家及學者都針對地下車站的抗震性能做了很多研究，并得出拱形結構截面有助于提高結構的抗震性能的結論。賈聿頡[1]等人提出，受車站異形結構的影響，主體結構的變形和受力均產生了一定程度上向結構外延長端轉移的趨勢；楊善統[2]提出，大跨度無柱車站的內力整體上都要明顯大于相同斷面形狀的常規有柱車站。該研究結論可為無柱大跨度地鐵車站的抗震設計提供了有益的參考；劉庭金[3]指出，頂板變截面式與預制裝配式拱形結構分別為目前矩形和拱形大跨度無柱地鐵車站結構型式中的最優選項。

綜上所述，無柱拱形地下車站或異形地下車站，在抗震作用下具有以下劣勢：在地震荷載作用下容易產生局部集中荷載，可能導致局部的破壞或者倒塌。相對而言，一般框架車站的側向剛度相對較低，面內受力特性好，結構在平面內受力均勻，站廳層的結構柱能夠有效地分散地震作用力，減小結構產生的應力集中現象。

1 模型建立與條件假設

1.1 數值模擬軟件選取

三維分析軟件是土木工程等領域常用的有限元分析軟件，可以處理各種復雜的結構模型，如非線性分析、動力分析等，可以模擬地震等多種工況；同時可模擬各種不同材料的特性，如鋼材、混凝土、土壤等；以及靜力分析、動力分析等多種分析方法，可以滿足各種抗震需求；三維分析軟件的后處理功能非常強大，可以對分析結果進行可視化處理，如生成各種圖表、動畫等，方便用戶分析和理解分析結果。

本次研究采用時程法進行結構抗震計算，時程法是一種常用的結構抗震計算方法，也稱作“地震時程分析”或“地震動力分析”。它以地震作用的時程作為荷載，通過數值模擬結構在地震作用下的動力響應，來分析結構的抗震性能，并利用數值分析方法求解結構在地震作用下的動力響應，包括加速度、速度、位移等動態響應參數。通過對結構響應進行分析，可以評估結構在地震作用下的穩定性和可靠性，以及進行結構的抗震設計和加固措施的優化。與傳統的靜力分析方法相比，時程法能夠更加全面、準確地描述結構在地震作用下的響應特性，尤其對于復雜結構和重要結構的抗震分析更加適用。

1.2 工程項目概況

本文依托深圳地鐵3 號線坪地六聯站工程，坪地六聯站為深圳市城市軌道交通3 號線四期工程項目自南向北的第7 座車站，為終點站。車站為地下雙側式2 層雙跨車站，局部為負一層無柱，無柱段結構凈距為22 m，車站頂板覆土約為3.7 m 左右，車站平面布置情況如圖1 所示。對于淺埋地下工程結構而言，一般在使用階段下受到外載作用最大。針對近期使用和遠期使用階段，采用SAP84 分別計算分析車站主體結構的受力特性。

圖1 3 號線坪地六聯站平面

主體結構計算按照平面應變假設，采用荷載－結構模型，通過SAP84 結構分析通用程序進行內力分析。遠期使用階段采用水土分算的原則確定水土壓力。

按照承載能力極限狀態進行計算，荷載組合效應取“基本組合”，即永久荷載組合系數為1.35，可變荷載為1.5。

按照原車站結構設計建立坪地六聯站三維模型，從小里程到大里程為站廳層公共區無柱，設備區或單柱雙跨或雙柱三跨結合的結構形式。由于車站結構較為復雜，不宜再采用平面模型進行分析，需要建立三維空間模型，真實反映結構實際受力特點。

運用時程分析方法，建立“地層-結構”模型，把地震運動視為一個隨時間變化的過程，并將地下結構物和周圍土體介質視為共同受力變形的整體，通過直接輸入地震加速度記錄，在滿足變形協調的前提下分別計算結構物和土體介質在各個時刻的位移，速度，加速度以及應變和內力，據以驗算結構的穩定性和進行結構截面設計。

本章針對坪地六聯站，使用軟件進行三維建模，采用時程分析法計算獲得結構在設防地震和罕遇地震下的變形及內力。根據計算分析需要，模型的尺寸X*Y*Z=650 m*220 m*28 m，模型節點數340 908個，單元數306 542 個，如圖2、圖3 所示。模型中，土體采用六面體單元模擬，車站主體結構均采用板單元模擬，車站梁、柱采用梁單元模擬，維護鉆孔灌注樁等效為地連墻采用板單元進行模擬。

圖2 車站周邊土層模型結構網格

圖3 車站模型結構網格

1.3 條件假設

本文為簡化模型及減少計算量，對模型的建立及分析提出以下假定：

（1）模型初始地應力平衡只考慮自重應力，忽略構造應力的影響；

（2）依據地質勘測資料，近似認為地面為平面，忽略地形起伏的影響；

（3）地下水位位于場坪標高1 m 以下，土體加權容重按飽和土計算。

根據地下結構抗震設計標準（GB/T 51336-2018）規定，對于以下結構除應進行水平地震作用計算外，尚宜考慮豎向地震作用：

（1）結構體系復雜、體形不規則以及結構斷面變化大、結構斷面顯著不對稱的地下單體結構；

（2）大跨度結構或淺埋大斷面結構；

（3）在結構頂板、樓板上開有較大孔洞，形成大跨懸臂構件；

（4）豎向地震作用效應很重要的其他結構。

2 結構抗震模擬計算

2.1 車站抗震計算輸入條件

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3 個橫斷面進行相關數據結果考察，截面a 為站廳層無柱小跨度斷面，截面b 為站廳層雙柱三跨斷面，截面c 為站廳層帶外掛通道斷面。

坪地六聯站存在斷面變化大以及大跨度斷面的情況，應計算豎向地震作用，因此擬定3 組地震波均分別以沿Z 軸、Z 軸與Y 軸為同時施加地震作用，共6 個工況（見圖4～圖6）。

圖4 荷載工況1

圖5 荷載工況2

圖6 荷載工況3

2.2 各工況下抗震結果計算研究

2.2.1 結構水平位移最大值

在工況1 至工況3 中，即結構在Z 方向地震荷載作用下，結構Z 方向相對基巖水平位移最大值分別為11.89 mm、12.91 mm、12.39 mm。水平位移最大值位置發生在坪地六聯車站站廳層大跨區頂板上，同時頂底板具有相反方向的運動。

2.2.2 斷面層間位移角

考察地震荷載1～3 作用下，斷面a、b、c 中頂、底板位移差的時程曲線，結果如下：在Z 方向地震作用下，斷面a～斷面c 最大層間位移差為8.11 mm，層間位移角最大值為1/1887 層間位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各個工況車站主體結構各橫斷面的頂板與底板層間位移差和位移角統計值可知，斷面a～斷面c 最大層間位移差為8.42 mm，層間位移角最大值為1/1818，層間位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各個工況車站主體結構樓板最大豎向撓度統計值可知，坪地六聯站最大豎向位移出現在站廳層大跨斷面頂板處，短向跨度為22 m，最大豎向位移為29.2 mm，撓度最大值為1/752，撓度均小于限值。

2.2.3 結構內力

研究發現，在Z 向地震動作用和Z、Y 雙向地震動作用下，結構的彎矩都沒有發生明顯的突變。針對結構3 個斷面，進行結構斷面彎矩提取，給出了工況1～6同樣位置點處的彎矩，綜合3 個斷面的統計結果見表1～表3。

表1 斷面a 關鍵位置彎矩統計（單位：kN·m）

表2 斷面b 關鍵位置彎矩統計（單位：kN·m）

表3 斷面c 關鍵位置彎矩統計（單位：kN·m）

2.2.4 結果小結

Z 方向地震動作用下，坪地六聯站結構頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.11 mm和1/1887；Z、Y 雙向地震動作用下，結構頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.42 mm 和1/1818，層間位移角遠小于1/550。

3 結論

從實驗數據來看，相同的地震作用下，雙柱三跨截面的最大彎矩為694 kN·m，而大跨度無柱車站彎矩為2 350 kN·m，且雙柱三跨車站的層間位移為6.71 mm，而無柱車站位移為8.11 mm。這表明，在地震作用下，無柱大跨度截面范圍結構受力更大，且其層間位移也更大。由結果可知，在地震作用下，雙柱三跨車站，其兩個柱子可以共同承擔地震荷載，而柱子之間的連梁可以協同工作，從而形成一種“框架”的結構體系，增強了車站的整體穩定性。但是，在車站的橫向地震作用下，柱子的抗震性能不如墻體，這可能是雙柱三跨斷面彎矩較小的原因之一。相比之下，無柱大跨度車站更偏重功能性的結構設計，其采用了懸挑式結構，通過大跨度的無柱站廳層和外掛支撐體系將地震荷載分散到整個車站結構中，提高了車站的整體抗震能力。但是，由于該結構缺乏柱子的支撐，在地震作用下可能會出現較大的位移。

總之，二者在地震作用下的表現及其原因與其結構形式密切相關，需要綜合考慮各種因素，以制定合理的抗震設計方案，以確保地下車站在地震作用下的安全可靠性。異形結構地下車站的頂板采用拱形或者負一層設置外掛通道，可以使車站的整體結構更加牢固穩定，具有更好的抗震性能。拱形頂板的曲率半徑比較大，可以分散地震作用下的應力，減少車站結構的變形和破壞。同時，外掛通道可以分擔地震作用下車站結構的受力，進一步增強車站的抗震能力。