基于时程分析法的地铁地下车站抗震设计与分析

基于时程分析法的地铁地下车站抗震设计与分析

欧士嘉

广西建设职业技术学院广西南宁530007

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也突飞猛进。地震工程传统观念认为地下结构的抗震性能显著优于地上结构，忽视了地下结构的抗震设计与研究，但随着国内外发生的地震对地下结构强烈破坏的案例，尤其是1995年日本阪神地震造成的地铁地下结构严重破坏，地下结构抗震设计的重要性被重新认识。关于地震对地下结构的破坏机理，一般认为水平地震是造成地下结构破坏的主要原因：地震在水平加速度作用下，由于各土层物理性质不均匀性等原因导致不同深度处结构振幅的不同，导致了结构层间的相对位移与较大的结构内力，最终造成了结构的整体破坏。在实际工程设计中，也只考虑水平地震的作用而忽视竖向地震的影响。然而，近年来地震观测结果表明，某些地震震中附近区域竖向地震加速度振幅与水平加速度振幅大小相当，甚至高于水平振幅。有研究成果表明，处于震中附近区域地铁的地下结构，竖向地震可显著增加结构内力，改变结构内力最大位置，且易导致地下结构中柱轴向荷载的剧烈变化，造成中柱的拉压破坏与剪切破坏。因此，在探讨地铁地下结构的抗震性能时，不宜排除竖向地震作用效果显著的情况，宜考虑水平与竖向地震耦合作用对地铁车站的影响，以提高地铁地下结构抗震设计的合理性与安全性。

关键词：时程分析法；地铁地下车站；抗震设计；分析

引言

本文阐述了时程分析法的基本原理，以大连市某地下三层地铁车站为背景，考虑水平与竖向地震耦合作用的影响，通过有限元方法计算车站结构对地震的响应分析。根据分析结果，车站结构满足抗震性能要求，并总结地铁车站结构抗震设计的要点，为地铁车站结构设计提供一定的参考。

1抗震性能分析方法概述

实际工程中，主要通过数值模拟对地下结构的抗震性能进行理论分析。常用的数值模拟方法可分为以反应位移法、反应加速度法为代表的拟静力法，和以反应谱方法、时程分析法为代表的动力分析法两类。反应位移法根据一维土层地震反应分析得到土层相对位移，由土层变形计算得到内力，并以地基弹簧的形式施加静荷载于结构上，从而获得结构的响应。反应加速法通过一维土层地震反应分析获得的动力响应，计算得到不同深度处水平有效惯性加速度，并将其按体积力的方式作用与结构上，最终得到结构的响应。拟静力法缺陷在于静力计算所得内力一般较实际动力值偏大，且对地震波的等效处理往往难以符合其不规则动态传播的实际情况。反应谱方法相对于拟静力法增加反映了地震的频谱特性，但仍然无法考虑地震力持续作用的影响，其本质上属于一种修正的拟静力分析方法。动力时程分析法可以全面地表达地震动强度、频谱特性和持续时间三大要素，分析具有过程性，更加符合实际情况，其缺陷在于计算时有较多的物理参数难以准确设定，且计算成本较大。本文拟采用动力时程分析法进行抗震数值模拟分析，并阐述动力时程分析法的基本原理和实现过程。

2实例分析

2.1工程概况

本车站为大连市某地下三层双柱三跨岛式车站，车站全长219.5m，标准段宽23.3m，顶板覆土约3.95m，采用明挖顺作法施工。车站顶板厚800mm，地下一层及地下二层中楼板厚400mm，底板厚1000mm，侧墙厚900mm，中柱尺寸8001300mm，中柱纵向间距9.75m，车站地下一层层高4.9m，地下二层层高7.3m，地下三层层高6.4m。顶、底板及侧墙采用C45钢筋混凝土，中柱采用C50钢筋混凝土。本场地所处原地貌为海滩，后经人工回填至现状，场地地势平坦。车站场地范围内土层主要为素填土、粉土、粉质黏土、全风化板岩、强风化板岩，车站底板位于强风化板岩。大连市地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。

2.2有限元模型建立

本文基于有限元分析软件Midas/GTS-NX建立有限元模型并进行分析。为尽可能实现与无限自由场地相同的模拟效果，有限元模型水平与竖向土层边界至结构的距离均大于3倍车站结构尺寸，模型两侧与底部引入粘弹性人工边界，以达到吸收入射波的效果。由于本车站结构沿纵向形式连续规则，周围土层沿纵向分布均匀，为节约计算成本，模型简化为平面应变模型，整体有限元模型尺寸为100×220m。模型输入地震波采用当地地震实测数据，该数据记录了地震时地面运动加速度变化值。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014），分别验算重现期475年设防地震（以下简称E2地震）作用及重现期2450年罕遇地震（以下简称E3地震）作用下地铁车站地震响应。

2.3分析结果

将车站主体结构顶板、底板及侧墙主要危险截面处本车站顶板支座处配筋由地震工况控制，且地震工况下支座结构内侧受拉，该截面处拉压方向与静力工况相反。其余截面均为静力工况（准永久组合）控制，即当配筋满足静力工况下裂缝宽度要求时均满足地震工况下的承载力要求，本车站实际配筋情况同时满足静力工况及地震工况要求。根据E2地震作用下车站中柱的计算结果，本车站中柱轴力值为12197kN，轴压比为0.51，剪力值99kN，均满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）对中柱轴压比及抗震受剪承载力的相求。

3地下结构的抗震研究

考虑到地层的约束，相比地上结构而言，地下结构被认为具有良好的抗震性能。但是，通过对近些年来国内外地下结构地震灾害现象的调查研究，在地震作用下，地下结构的破坏现象也相当普遍，对地下结构抗震性能的研究也在实际的设计工作中不断推进。采用MIDAS/GTS软件对地下结构进行时程法计算分析，动力有限元数值仿真分析中，所关心振波的高频（短波）成分决定网格单元长度，低频（长波）成分决定模型边界范围的大小。通常，当计算模型的水平范围取为8～10倍隧道直径时，即可获得较高的计算精度[1]。为了解决有限截取模型边界上波的反射问题，边界条件采用由Decks等[2~4]人提出的粘-弹性吸收边界。粘-弹性边界不仅可以较好地模拟地基的辐射阻尼，而且也能模拟远场地球介质的弹性恢复性能，具有良好的低频稳定性。

结语

地震对于地下结构的破坏作用不可忽视，且位于震中附近的区域，不应忽视竖向地震对地下结构产生的破坏效果。动力时程分析法是目前抗震分析的有效方法之一，本文基于动力时程分析法并考虑水平与竖直地震耦合作用的影响，分析了大连某地铁地下车站在地震作用下的响应，验证了该车站结构设计满足抗震性能要求。可以看出，本车站顶板右侧支座截面处地震对内力作用效果明显，为控制工况，其余截面均为静力工况控制。部分截面（顶板右侧支座、左侧墙负一层跨中、右侧墙负三层跨中）在地震工况下会引起内力反向，结构设计时应对此足够重视。

参考文献：

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