站-橋同位合建工程中地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

張勝 鄭俊杰 章榮軍 楊文鈺

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.141

收稿日期：2022?09?02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52078236）

作者簡(jiǎn)介：張勝（1999-?），男，主要從事巖土工程研究，E-mail：zhangs1@hust.edu.cn。

通信作者：鄭俊杰（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zhengjj@hust.edu.cn。

Received： 2022?09?02

Foundation item： National Natural Science Foundation of China （No. 52078236）

Author brief： ZHANG Sheng （1999-?）， main research interest： geotechnical engineering， E-mail： zhangs1@hust.edu.cn.

corresponding author：ZHENG Junjie （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： zhengjj@hust.edu.cn.

摘要：地鐵車站與高架橋同位合建（站-橋合建）工程能緩解城市交通擁堵和節(jié)約建造空間，但其動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制和地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性不甚明確。利用有限差分軟件建立站-橋合建工況和單一車站工況對(duì)應(yīng)的三維模型，首先進(jìn)行靜力計(jì)算，分析兩類工況的受力變形規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析在輸入El-Centro波和Kobe波時(shí)兩類工況中地鐵車站的層間位移角、應(yīng)力變化規(guī)律以及薄弱位置；最后深入研究高架橋的橋梁荷載和高度對(duì)地鐵車站地震反應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著基巖輸入加速度的增加，高架橋?qū)Φ罔F車站層間位移角和最大應(yīng)力的影響增大；站-橋合建工況中車站樓板兩端容易發(fā)生受拉破壞，大震時(shí)應(yīng)增加對(duì)車站中柱的關(guān)注；層間位移角隨橋梁荷載線性增加，隨橋梁高度非線性增加，應(yīng)力隨兩者均呈線性增加。

關(guān)鍵詞：站-橋合建工程；高架橋；地鐵車站；地震響應(yīng)；橋梁特性

中圖分類號(hào)：TU93 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號(hào)：2096-6717（2024）02-0042-09

Seismic response of underground structures in subway station-bridge unitized projects

ZHANG Sheng¹，?ZHENG Junjie¹，?ZHANG Rongjun²，?YANG Wenyu¹

（1. School of Civil and Hydraulic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， P. R. China；?2. School of Civil Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， P. R. China）

Abstract： The subway stations -?bridge unitized （station -?bridge unitized） projects can reduce urban traffic congestion and save construction space. But their seismic response mechanism and the seismic response of underground structures are not very clear. 3D models of station -?bridge unitized condition and single station condition were established using finite difference software. Firstly， static calculations were completed， and the law of force and deformation of two conditions were analyzed. On the basis， with the input of El-Centro and Kobe waves， interlayer displacement angle， stress and weak positions of subway station were analyzed. Finally， the effects of load and height of the bridge on the seismic response of subway station were studied. The results indicate that as the input acceleration of bedrock increases， the effect of the overpass on the interlayer displacement angle and maximum stress of the subway station becomes greater. Tensile damage at the ends of station floors is easier to occur in station -?bridge unitized condition， and the middle columns should also be attached equal importance to in strong earthquakes. There is a positive linear correlation between the interlayer displacement angle and bridge load， which can also be observed in bridge height. In addition， stresses increase linearly with bridge load and height.

Keywords： subway station-bridge unitized project；?overpass；?subway station；?seismic response；?bridge characteristics

隨著城市的發(fā)展，城市交通擁堵問題日益突出，為了解決此問題，部分地段將地下交通軌道和高架橋建在同一走廊，高架橋架設(shè)在地鐵車站之上，上下共線同位合建，可以減少拆遷量、避免市政管線二次遷改、縮短工期以及節(jié)約投資^[1]。

從全球范圍內(nèi)多次地震震害的破壞現(xiàn)象來看，在地震作用下，現(xiàn)有的地下結(jié)構(gòu)并不安全^[2-3]，結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞且會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。1995年日本阪神地震導(dǎo)致地下管道、地鐵車站等均嚴(yán)重毀壞，自此，學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)紛紛開始關(guān)注地下結(jié)構(gòu)的抗震問題^[4-5]。Iwatate等^[6]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)車站的倒塌破壞是由車站中柱抗剪能力不足導(dǎo)致的。車愛蘭等^[7]通過縮尺的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了地震波輸入方向、結(jié)構(gòu)埋設(shè)深度以及地基-結(jié)構(gòu)剛性比等對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響規(guī)律。Samata等^[8]對(duì)日本大開車站進(jìn)行了破壞機(jī)理分析，結(jié)果表明：車站中柱首先發(fā)現(xiàn)剪切破壞，之后結(jié)構(gòu)頂板和側(cè)墻相繼發(fā)生彎曲破壞。莊海洋等^[3]、劉如山等^[9]對(duì)大開車站的破壞損傷機(jī)制進(jìn)行了有限元分析，模擬了大開車站的地震反應(yīng)和破壞過程。此外，學(xué)者們針對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出了多種抗震設(shè)計(jì)方法。Penzien^[10]、Wood等^[11]引入相互作用系數(shù)來考慮土體與結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度之間的差異，通過數(shù)值解及解析解的形式分析比較不同剛度比下結(jié)構(gòu)變形和自由場(chǎng)變形之間的關(guān)系，從而計(jì)算結(jié)構(gòu)變形。為考慮更多實(shí)際的結(jié)構(gòu)形式，日本學(xué)者提出反應(yīng)位移法，將周圍場(chǎng)地土對(duì)地下結(jié)構(gòu)的作用等效為集中彈簧，該方法中的地震荷載包括自由場(chǎng)的強(qiáng)制位移、自由場(chǎng)的剪應(yīng)力和結(jié)構(gòu)處慣性力。劉晶波等^[12]、董正方等^[13]、耿萍等^[14]也分別通過理論推導(dǎo)、參數(shù)求解等方式進(jìn)一步完善了反應(yīng)位移法。Liu等^[15]采用Pushover的方法，對(duì)大開車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，并提出結(jié)構(gòu)的塌毀是由強(qiáng)烈的水平及豎向作用荷載共同作用導(dǎo)致的。劉晶波等^[16-19]借鑒其他分析法總結(jié)后，提出了地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法，該方法理論清晰，適用于復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)形式，得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有研究主要針對(duì)單一車站工況中地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，其中土體-地下結(jié)構(gòu)的相互作用對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響最為顯著。

目前站-橋同位合建的項(xiàng)目案例并不豐富，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究分析略顯不足。梅展軍^[20]介紹了一種高架橋與地鐵車站結(jié)合建設(shè)案例并提出對(duì)應(yīng)建議。肖敬華等^[21]用SAP2000分析了武漢市的一座地鐵車站與高架橋的共建體的受力變形，以此評(píng)價(jià)改方案的可行性。地震響應(yīng)分析方面，張媛^[22]分析了高架車站與橋梁分離和合建結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，研究表明，“站橋合一”結(jié)構(gòu)體系的剛度更大，整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，對(duì)橋梁在抗震方面有了很大的提升。張俊杰等^[23]等結(jié)合高架道路和高架地鐵相結(jié)合的高架工程，通過軟件建立模型分析其動(dòng)力響應(yīng)并評(píng)價(jià)其抗震性能。王軼等^[24]結(jié)合工程實(shí)例，利用兩種方法研究了不同地震下結(jié)構(gòu)的彈性響應(yīng)。李忠獻(xiàn)等^[25-26]建議設(shè)計(jì)“站橋合一”結(jié)構(gòu)體系時(shí)一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所得到的反應(yīng)譜值來對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行時(shí)程分析。在地鐵車站站-高架橋同位合建工程中，上部為橋跨結(jié)構(gòu)，下部為框架結(jié)構(gòu)的地鐵車站，目前對(duì)橋梁-土體-地下結(jié)構(gòu)間的相互作用研究較少，迫切需要系統(tǒng)地研究站-橋合建工程中地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性。

筆者基于有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，建立站-橋合建工況和單一車站工況對(duì)應(yīng)的三維數(shù)值模型，分別進(jìn)行地震動(dòng)反應(yīng)分析，對(duì)比分析不同地震波作用下兩類工況地鐵車站的地震反應(yīng)，并進(jìn)一步研究高架橋的橋梁荷載和高度對(duì)地鐵車站地震反應(yīng)的影響規(guī)律。

1 模型概況

以某在建地鐵車站-高架橋合建工程為背景，建立站-橋合建結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型。其中，下部地鐵車站為2層3跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，寬22.4 m，高為15.3 m，頂板厚為0.8 m，中板厚為0.4 m，底板厚0.9 m，側(cè)墻厚為0.7 m，中柱截面為1.0 m×1.0 m，間距為8.0 m或9.0 m。上部結(jié)構(gòu)為等跨橋梁結(jié)構(gòu)，取跨徑組合為25.0 m×2+5.0 m×2，橋面寬16 m，采用雙柱形橋墩，墩身寬2.5 m，厚度為1.4 m，橫向間距為6.0 m，橋梁承臺(tái)尺寸3.0 m×9.0 m×2.0 m，樁基直徑為1.8 m，站-橋合建結(jié)構(gòu)橫斷面尺寸如圖1所示。

1.1 模型建立

為了盡可能消除邊界效應(yīng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，場(chǎng)地的計(jì)算寬度應(yīng)取地鐵車站結(jié)構(gòu)寬度的5倍以上^[27]。模型地基的橫向（X方向）長(zhǎng)度為140 m，縱向（Y方向）長(zhǎng)度為60 m，豎向（Z方向）高度為68.3 m，見圖2。土體采用硬化土（Plastic-Hardening）模型^[28]，土層參數(shù)見表1。車站和橋梁結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型；車站結(jié)構(gòu)采用C35混凝土，彈性模量取31.5 GPa，泊松比取0.2；橋梁結(jié)構(gòu)采用C40混凝土，彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.2。土體和結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，支護(hù)橫撐和底部樁基分別采用梁（beam）單元和樁（pile）單元。為了模擬地鐵車站結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用，在車站結(jié)構(gòu)與周圍土層之間設(shè)置了接觸面單元，接觸面計(jì)算參數(shù)參考文獻(xiàn)^[29]取值，見表2。

1.2 模型動(dòng)力參數(shù)

結(jié)構(gòu)在靜力計(jì)算階段，將模型底部3個(gè)方向全部約束住，同時(shí)約束四周的水平位移。在動(dòng)力計(jì)算階段，為了模擬模型四周的無限邊界情況，在模型四周設(shè)置自由場(chǎng)邊界，從而消除模型邊界上反射波的影響，同時(shí)釋放模型底部X方向約束。土體阻尼選取Seed雙參數(shù)的滯后阻尼，因其能描述土體的非線性特性且參數(shù)確定較簡(jiǎn)單；結(jié)構(gòu)采用瑞利阻尼，阻尼比取0.05^[30]。同時(shí)，為了便于研究高架橋?qū)Φ罔F車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，在車站橫截面處布置了相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖1（b）），對(duì)比分析車站中柱、側(cè)墻應(yīng)力以及層間位移響應(yīng)。

1.3 地震波輸入

選用El-Centro波和Kobe波兩個(gè)實(shí)際地震波作為輸入地震波。El-Centro波為1940年美國(guó)Imperial山谷地震時(shí)記錄的強(qiáng)震地震波，該地震波原始峰值加速度為0.349g，強(qiáng)震部分持續(xù)時(shí)間約26 s。Kobe波為1995年日本阪神地震中神戶海洋氣象臺(tái)記錄的強(qiáng)震加速度記錄，取其南北的水平向加速度記錄作為基巖輸入波，該地震的原始峰值加速度為0.85g，強(qiáng)震部分持續(xù)時(shí)間約10 s，兩條地震波的時(shí)程見圖3。在基巖上輸入水平X向地震波時(shí)，將這兩條地震波的峰值加速度分別調(diào)整為0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g，基巖輸入地震波持續(xù)時(shí)間為20 s。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證

圖4為靜力計(jì)算階段基坑開挖后的豎向位移云圖。距離基坑邊界8～15 m范圍內(nèi)地表沉降較大，將計(jì)算得到的地表沉降曲線與聶宗泉^[31]等提出的經(jīng)驗(yàn)公式曲線對(duì)比分析。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式曲線比較吻合，兩者曲線的變化趨勢(shì)接近，最大沉降差距為1 mm以內(nèi)，可以認(rèn)為數(shù)值模型較合理。

2.2 高架橋?qū)囌緦娱g位移的影響

為了便于分析車站的變形狀態(tài)，將上、下層相對(duì)層間位移與上、下層層間高度的比值分別定義為上、下層相對(duì)層間位移角。圖6分別為站-橋合建工況和單一車站工況中地鐵車站上、下層最大層間位移角隨著輸入加速度峰值的變化曲線。在基巖輸入El-Centro波時(shí)，站-橋合建工況中地鐵車站的上、下層層間位移角均大于單一車站工況。隨著地震動(dòng)的增強(qiáng)，兩類工況的層間位移角差值隨之增加，特別是在輸入加速度峰值為0.3g時(shí)，站-橋合建工況中地鐵車站上、下層最大層間位移角分別為0.010 59、0.010 28 rad，比單一車站工況約大66.7%。而在基巖輸入峰值加速度較小（0.05g、0.1g、0.15g、0.2g）的Kobe波的情況下，兩種工況中地鐵車站的上、下層層間位移角都較為接近，高架橋的影響并不明顯。當(dāng)輸入峰值加速度增大至0.3g強(qiáng)震狀態(tài)時(shí)，站-橋合建工況中地鐵車站上、下層最大層間位移角分別為0.008 02、0.008 78 rad，比單一車站工況分別大14.3%和9.9%左右。總體來說，地震作用下，站-橋合建工況的地鐵車站位移響應(yīng)要強(qiáng)于單一車站工況，這是由于合建工況中上部橋梁的存在，相比單一車站，一方面會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度；另一方面是車站會(huì)受到橋梁的慣性力作用，均會(huì)導(dǎo)致車站位移響應(yīng)增大。

2.3 高架橋?qū)囌窘Y(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

圖7為站-橋合建工況和單一車站工況中地鐵車站的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。由圖7可以看到，兩種工況下結(jié)構(gòu)最大豎向應(yīng)力主要集中在車站中柱，最大橫向應(yīng)力分布在側(cè)墻與頂板連接處。表3列出了站-橋合建工況和單一車站工況下靜力階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力。由表3可知，總體上站-橋合建工況中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力大于單一車站工況的應(yīng)力。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z2的壓應(yīng)力最大，為-11.30 MPa；監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1的拉應(yīng)力最大，為2.47 MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z2的Z方向應(yīng)力差值最大，達(dá)5.24 MPa。這是因?yàn)楦呒軜虻臉蛄汉奢d大部分經(jīng)承臺(tái)傳給車站中柱，使其在合建工況中承受更大的壓應(yīng)力；由于在梁柱附近區(qū)域承受更大壓應(yīng)力，車站樓板處的沉降比樓板兩端大得多，導(dǎo)致樓板發(fā)生不均勻沉降。特別是在頂板兩端會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，使得此處樓板產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。受到上述因素的影響，相對(duì)樓板中間區(qū)域，樓板兩端會(huì)有一定的上浮趨勢(shì)，且由于受到周圍土體的側(cè)向壓力，遠(yuǎn)離土體的側(cè)墻面產(chǎn)生拉應(yīng)力，特別是與底板相連接的側(cè)墻，也呈現(xiàn)一定的上浮趨勢(shì)。因此，沿側(cè)墻向下，其承受的豎向壓力會(huì)逐漸減小，直至拉應(yīng)力產(chǎn)生；橫向拉應(yīng)力逐漸減小，直至壓應(yīng)力產(chǎn)生。可以看到，站-橋合建工況中C2的Z方向壓應(yīng)力小于單一車站工況，分別為-0.26、-0.35 MPa；C3的X方向壓應(yīng)力小于單一車站工況，分別為-0.36、-0.55 MPa。

為方便研究站-橋合建工況和單一車站工況中地鐵車站應(yīng)力的差異，圖8給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z1的峰值壓應(yīng)力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1的峰值拉應(yīng)力隨輸入加速度峰值的變化曲線。由圖8可知，兩種工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z1的峰值壓應(yīng)力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1的峰值拉應(yīng)力均隨著地震動(dòng)增強(qiáng)而增加。站-橋合建工況的峰值拉/壓應(yīng)力隨輸入加速度峰值呈線性增加，增幅較大；單一車站工況的峰值拉/壓應(yīng)力增速隨地震動(dòng)變強(qiáng)有所減緩，增幅較小。當(dāng)輸入加速度峰值為0.05g時(shí)，兩種工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z1的峰值壓力分別為-11.96、-7.88 MPa，差值為4.08 MPa；當(dāng)輸入加速度增至0.3g時(shí)，差值達(dá)9.12 MPa。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1，基巖輸入加速度峰值為0.05g時(shí)，兩種工況下的拉應(yīng)力差值為2.18 MPa左右，當(dāng)增至0.3g時(shí)，差值達(dá)到3.69 MPa左右。這是由于在地震作用下，站-橋合建工況中車站會(huì)受到上部橋梁的慣性力作用，其應(yīng)力響應(yīng)大于單一車站；隨著地震動(dòng)增強(qiáng)，車站受到橋梁慣性力作用更大，車站中柱承受的荷載更大；樓板不均勻沉降也在增加，導(dǎo)致樓板兩端彎矩增大，從而引起其應(yīng)力增加；因此，兩種工況的拉應(yīng)力差值會(huì)越來越大。值得注意的是，在本文基巖輸入峰值加速度中，單一車站結(jié)構(gòu)的最大拉壓應(yīng)力基本小于容許應(yīng)力，但站-橋合建結(jié)構(gòu)的最大拉壓應(yīng)力均可能超過容許應(yīng)力。上述結(jié)果表明：小震時(shí)，兩種工況中構(gòu)件幾乎不會(huì)發(fā)生破壞；但大震時(shí)，站-橋合建工況中頂板兩端相比單一車站工況發(fā)生受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)劇增，且中柱承受的荷載增大，有受壓破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，相比單一車站工況，站-橋合建工況進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)不僅要對(duì)車站中柱進(jìn)行加固處理，還應(yīng)重視對(duì)樓板兩端的抗震設(shè)計(jì)。

3 高架橋自身特性對(duì)車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

高架橋的存在對(duì)地鐵車站地震反應(yīng)有一定的影響，而高架橋自身特性（橋梁荷載和高度）的改變均會(huì)影響地鐵車站承受的荷載、抗側(cè)移剛度等，進(jìn)而影響地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。所研究橋梁荷載主要是橋梁的自重和汽車荷載，假定前述計(jì)算模型為基本工況，將橋梁荷載改至基本工況的50%、150%、200%橋梁高度改至120%、150%、180%，分析不同工況下的車站地震響應(yīng)。

圖9分別給出了不同橋梁荷載工況下車站上、下層峰值層間位移角和峰值拉壓應(yīng)力的變化曲線。由圖9可知，隨著橋梁荷載的增加，上、下層峰值層間位移角和峰值壓應(yīng)力均呈線性增加。上、下層相對(duì)層間位移角曲線基本重合；當(dāng)輸入加速度峰值為0.05g時(shí)，上、下層間位移角均為0.002 21 rad，隨加速度均線性增至0.002 77 rad。橋梁荷載對(duì)上下層相對(duì)層間位移角的影響程度基本一致。車站中柱3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值壓應(yīng)力增速相近，增幅均為5.13 MPa左右；頂板兩端的峰值拉應(yīng)力增速明顯大于中板、底板兩端的峰值拉應(yīng)力增速，C1的應(yīng)力增幅達(dá)2.76 MPa，C2和C3的應(yīng)力增幅均在0.3 MPa以下。這是由于橋梁荷載的增加會(huì)使車站在地震作用下承受更大的橋梁慣性力作用，且橋梁荷載的增加呈線性，所以上、下層層間位移亦呈線性增加。車站中柱各處承受的約束作用相似，橋梁荷載對(duì)車站中柱各處壓應(yīng)力的影響基本一致，所以其應(yīng)力增幅相近。橋梁荷載對(duì)樓板拉應(yīng)力的影響程度沿側(cè)墻由上至下逐漸遞減，這是由于頂板距離高架橋最近，受橋梁荷載影響最大；且隨著埋深的增加，樓板受土體的約束作用增強(qiáng)，導(dǎo)致底板受橋梁荷載的影響最小。由于車站中柱是主要承受荷載的構(gòu)件，所以橋梁荷載對(duì)車站中柱壓應(yīng)力的影響要大于對(duì)樓板拉應(yīng)力的影響。

圖10給出了不同橋墩高度工況下車站上、下層峰值層間位移角和峰值拉壓應(yīng)力的變化曲線。由圖10可知，橋墩高度的增加會(huì)增大車站上、下層峰值層間位移角和峰值拉壓應(yīng)力。隨著橋墩變高，上、下層峰值層間位移角增速變大，且下層層間位移角的增速大于上層層間位移角；下層位移角由0.002 33 rad增至0.002 68 rad，增幅為0.000 35 rad；上層位移角增幅為0.000 29 rad。這是由于隨著高架橋高度的增加，地震作用下，隨著深度增加車站結(jié)構(gòu)受到的傾覆力矩隨之增加，進(jìn)而增大車站地震響應(yīng)，特別是車站的水平位移。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)移剛度呈非線性減小，且沿著側(cè)墻向下亦呈非線性減小。綜上，地鐵車站下層的抗側(cè)移能力小于上層，其側(cè)移反應(yīng)要強(qiáng)于上層。峰值拉壓應(yīng)力隨橋墩高度的增加呈線性小幅度增加，增幅均在0.5 MPa以內(nèi)，這是由于橋墩增高，車站結(jié)構(gòu)承受荷載的增加幅值較小，且地震作用下受到橋梁慣性力作用的變化較小，所以橋墩高度的增加對(duì)應(yīng)力的影響比較有限。

4 結(jié)論

1）高架橋的存在增大了車站結(jié)構(gòu)的側(cè)移。由于高架橋的存在，站-橋合建工況中車站結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度有所減小，其上下層層間位移角會(huì)大于單一車站工況，這將增加地震作用下結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，且隨著輸入地震動(dòng)變強(qiáng)，上述不利影響越顯著。

2）高架橋的存在改變了結(jié)構(gòu)的破壞模式。由于高架橋的存在，車站結(jié)構(gòu)承受更大的荷載，站-橋合建工況的車站中柱和樓板比單一車站結(jié)構(gòu)承受更大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不僅發(fā)生受壓破壞，并且還有受拉破壞的風(fēng)險(xiǎn)。與單一車站工況相比，站-橋合建工況中薄弱位置不僅僅是樓板兩端；大震時(shí)，其車站中柱亦成為抗震設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注部位。

3）橋梁荷載和橋梁高度均會(huì)影響地鐵車站的地震反應(yīng)。層間位移角隨橋梁荷載的增加呈線性增加，隨橋梁高度的增加呈非線性增加。應(yīng)力隨橋梁荷載和橋梁高度均呈線性增加。

參考文獻(xiàn)

[1] ?楊家熙. 地鐵明挖車站與高架橋同期同位合建關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2012.

YANG J X. Research on the key technology in construction of open cut metro station-viaduct combined structure [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2012. （in Chinese）

[2] ?王蘇， 路德春， 杜修力. 地下結(jié)構(gòu)地震破壞靜-動(dòng)力耦合模擬研究[J]. 巖土力學(xué)， 2012， 33（11）： 3483-3488.

WANG S， LU D C， DU X L. Research on underground structure seismic damage using static-dynamic coupling simulation method [J]. Rock and Soil Mechanics， 2012， 33（11）： 3483-3488. （in Chinese）

[3] ?莊海洋， 程紹革， 陳國(guó)興. 阪神地震中大開地鐵車站震害機(jī)制數(shù)值仿真分析[J]. 巖土力學(xué)， 2008， 29（1）： 245-250.

ZHUANG H Y， CHENG S G， CHEN G X. Numerical simulation and analysis of earthquake damages of Dakai metro station caused by Kobe earthquake [J]. Rock and Soil Mechanics， 2008， 29（1）： 245-250. （in Chinese）

[4] ?JIANG L Z， CHEN J， LI J. Seismic response of underground utility tunnels： shaking table testing and FEM analysis [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2010， 9（4）： 555-567.

[5] ?杜修力， 李洋， 許成順， 等. 1995年日本阪神地震大開地鐵車站震害原因及成災(zāi)機(jī)理分析研究進(jìn)展[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2018， 40（2）： 223-236.

DU X L， LI Y， XU C S， et al. Review on damage causes and disaster mechanism of Daikai subway station during 1995 Osaka-Kobe Earthquake [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2018， 40（2）： 223-236. （in Chinese）

[6] ?IWATATE T， KOBAYASHI Y， KUSU H， et al. Investigation and shaking table tests of subway structures of the Hyogoken-Nanbu earthquake [C]//Proceedings 12th World Conference on Earthquake Engineering， New Zealand， 2000， 1043-1051.

[7] ?車愛蘭， 巖楯敞廣， 葛修潤(rùn). 關(guān)于地鐵地震響應(yīng)的模型振動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué)， 2006， 27（8）： 1293-1298.

CHE A L， IWATATE T， GE X R. Dynamic behaviors of subway structure subjected to strong earthquake motions using shaking table tests and dynamic analyses [J]. Rock and Soil Mechanics， 2006， 27（8）： 1293-1298. （in Chinese）

[8] ?SAMATA S， OHUCHI H， MATSUDA T. A study of the damage of subway structures during the 1995 Hanshin-Awaji earthquake [J]. Cement and Concrete Composites， 1997， 19（3）： 223-239.

[9] ?劉如山， 鄔玉斌， 杜修力. 用纖維模型對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震破壞的數(shù)值模擬分析[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010， 36（11）： 1488-1495.

LIU R S， WU Y B， DU X L. Numerical simulation analysis on earthquake damage of underground structure with fiber model [J]. Journal of Beijing University of Technology， 2010， 36（11）： 1488-1495. （in Chinese）

[10] ?PENZIEN J. Seismically induced racking of tunnel linings [J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics， 2000， 29（5）： 683-691.

[11] ?WOOD J H， LOWER H T. Earthquake design of rectangular underground structures [J]. Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering， 2007， 40（1）： 1-6.

[12] ?劉晶波， 王文暉， 張小波， 等. 地下結(jié)構(gòu)橫斷面地震反應(yīng)分析的反應(yīng)位移法研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（1）： 161-167.

LIU J B， WANG W H， ZHANG X B， et al. Research on response deformation method in seismic analysis of underground structure [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32（1）： 161-167. （in Chinese）

[13] ?董正方， 王君杰， 王文彪， 等. 基于土層位移差的地下結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)位移法分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2013， 32（7）： 38-42， 47.

DONG Z F， WANG J J， WANG W B， et al. Response displacement method for seismic analysis of underground structures based on soil layers displacement difference [J]. Journal of Vibration and Shock， 2013， 32（7）： 38-42， 47. （in Chinese）

[14] ?耿萍， 張景， 何川， 等. 隧道橫斷面反應(yīng)位移法基本原理及其應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（Sup2）： 3478-3485.

GENG P， ZHANG J， HE C， et al. Basic theory of seismic deformation method in cross section of tunnel and its application [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32（Sup2）： 3478-3485. （in Chinese）

[15] ?LIU J B， LIU X Q. Pushover analysis of Dakai Subway Station during the Osaka-Kobe Earthquake in 1995 [C]//The 14th World Conference on Earthquake Engineering， Beijing， China， 2008： 12-17.

[16] ?劉晶波， 劉祥慶， 李彬. 地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的Pushover分析方法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2008， 41（4）： 73-80.

LIU J B， LIU X Q， LI B. A pushover analysis method for seismic analysis and design of underground structures [J]. China Civil Engineering Journal， 2008， 41（4）： 73-80. （in Chinese）

[17] ?劉晶波， 王文暉， 趙冬冬， 等. 復(fù)雜斷面地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的整體式反應(yīng)位移法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2014， 47（1）： 134-142.

LIU J B， WANG W H， ZHAO D D， et al. Integral response deformation method in seismic analysis of complex section underground structures [J]. China Civil Engineering Journal， 2014， 47（1）： 134-142. （in Chinese）

[18] ?劉晶波， 李彬， 谷音. 地鐵盾構(gòu)隧道地震反應(yīng)分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2005， 45（6）： 757-760.

LIU J B， LI B， GU Y. Seismic response analysis of shielded subway tunnels [J]. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2005， 45（6）： 757-760. （in Chinese）

[19] ?劉晶波， 李彬， 劉祥慶. 地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的靜力彈塑性分析方法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2007， 40（7）： 68-76.

LIU J B， LI B， LIU X Q. A static elasto-plastic analysis method in seismic design of underground structures [J]. China Civil Engineering Journal， 2007， 40（7）： 68-76. （in Chinese）

[20] ?梅展軍. 高架橋與地鐵車站結(jié)合的車站建筑設(shè)計(jì)[J]. 山西建筑， 2010， 36（29）： 7-8， 48.

MEI Z J. On station building design with viaduct and subway station [J]. Shanxi Architecture， 2010， 36（29）： 7-8， 48. （in Chinese）

[21] ?肖敬華， 李鵬， 舒勝武， 等. 地鐵車站與高架橋整體分析[J]. 鐵道建筑技術(shù)， 2011（10）： 84-89.

XIAO J H， LI P， SHU S W， et al. The overall analysis of the subway station and the overpass [J]. Railway Construction Technology， 2011（10）： 84-89. （in Chinese）

[22] ?張媛. 輕軌高架橋梁與站橋結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)分析與隔震研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2003.

ZHANG Y. Seismic response analysis and isolation investigation for elevated bridges and station-bridge structural systems of light railways [D]. Tianjin： Tianjin University， 2003. （in Chinese）

[23] ?張俊杰， 胡世德. 一體式高架結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算模型[J]. 世界地震工程， 2004， 20（3）： 146-151.

ZHANG J J， HU S D. Analytical model for seismic design of urban viaducts with double deck [J]. World Information on Earthquake Engineering， 2004， 20（3）： 146-151. （in Chinese）

[24] ?王軼， 張力， 甄偉， 等. 站橋合一的大型客站站房結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2009， 39（12）： 23-27.

WANG Y， ZHANG L， ZHEN W， et al. Study on seismic behavior of large bridge-station combined railway station [J]. Building Structure， 2009， 39（12）： 23-27. （in Chinese）

[25] ?李忠獻(xiàn)， 張媛， 丁陽. 輕軌鐵路站橋結(jié)構(gòu)體系抗震分析與隔震研究[J]. 地震工程與工程振動(dòng)， 2003， 23（6）： 163-168.

LI Z X， ZHANG Y， DING Y. Seismic analysis and isolation for station-bridge structures of light railways [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2003， 23（6）： 163-168. （in Chinese）

[26] ?董城， 李忠獻(xiàn). 輕軌鐵路站橋整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震分析[J]. 工程抗震與加固改造， 2005， 27（3）： 73-77.

DONG C， LI Z X. Structural design and seismic analysis of integral station-bridge structure in light railway [J]. Earthquake Resistant Engineering， 2005， 27（3）： 73-77. （in Chinese）

[27] ?鐘紫藍(lán)， 申軼堯， 甄立斌， 等. 地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)與地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2020， 42（3）： 486-494.

ZHONG Z L， SHEN Y Y， ZHEN L B， et al. Ground motion intensity measures and dynamic response indexes of metro station structures [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2020， 42（3）： 486-494. （in Chinese）

[28] ?周恩平. 考慮小應(yīng)變的硬化土本構(gòu)模型在基坑變形分析中的應(yīng)用[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2010.

ZHOU E P. Application of hardening soil model with small-strain in deformation analysis for foundation pit [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2010. （in Chinese）

[29] ?劉飛禹， 汪歆， 李婧婷， 等. 地震作用下混合式加筋土擋墻動(dòng)力特性[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)， 2021， 41（3）： 612-621.

LIU F Y， WANG X， LI J T， et al. Dynamic characteristics of mixed reinforced earth retaining wall under earthquake loading [J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2021， 41（3）： 612-621. （in Chinese）

[30] ?鐘波波， 張永彬， 李宏. 大跨無柱地鐵車站地震響應(yīng)分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2015， 11（Sup1）： 317-322.

ZHONG B B， ZHANG Y B， LI H. Analysis of seismic response of large-span column-free subway station [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2015， 11（Sup1）： 317-322. （in Chinese）

[31] ?聶宗泉， 張尚根， 孟少平. 軟土深基坑開挖地表沉降評(píng)估方法研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2008， 30（8）： 1218-1223.

NIE Z Q， ZHANG S G， MENG S P. Surface settlement of deep foundation pits by excavation [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2008， 30（8）： 1218-1223. （in Chinese）

（編輯??王秀玲）