探析地表建筑對地下車站結構地震響應的影響

盧子牛

（武漢大學基建管理部 湖北 武漢 430072）

【摘 要】 地下車站大部分都處在繁華地段，地表建筑多種多樣，所以地下車站在建設和運行階段都應該考慮地表建筑對車站的影響。實際預測過程中，應該將地表建筑和地下車站看作一個統(tǒng)一的系統(tǒng)進行分析，采用有限元的方法研究地表建筑對地下車站地震反映的影響。

【關鍵詞】 地表建筑；地下車站；有限元；影響分析

Analysis of the impact of the construction of surface seismic response of underground stations

Lu Zi-niu

(Wuhan University, Department of Infrastructure Management Wuhan Hubei 430072) 

【Abstract】 Most underground stations are in the downtown area, a variety of surface buildings, so the underground station construction and operation phase should consider the impact of the building on the ground station. The actual prediction process, should be ground buildings and underground stations as a unified system for analysis, the impact of using the finite element method to study the construction of underground stations seismic surface reflects.

【Key words】 Finite element;Underground stations;Surface construction impact analysis

1. 前言 

地震中地表建筑會對周圍地基產(chǎn)生擾動，同時會對周圍地下結構產(chǎn)生影響，所以構建地表建筑——地下車站一體化的結構模型具有現(xiàn)實意義。在諧波作用下，地表建筑會將的地震中某些特定的波進行放大，進而對地下建筑結構產(chǎn)生較大的擾動，地下建筑結構的變化又會反饋給地表建筑，最終產(chǎn)生的影響十分嚴重 ［1］。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，采用有限元分析方法，結合某地下車站，首先對地表建筑——地下車站模型進行了分析，然后采用ABAQUS軟件進行仿真，對結果進行了分析比較，最后根據(jù)具體實際情況，對地表建筑對地下車站結構的影響進行了分析，具有一定實際意義和現(xiàn)實價值。

2. 地表建筑——地下車站模型

2.1 某地下車站橫剖面采用兩層三柱三跨式鋼筋混凝土閉合框架結構，地下車站總寬高為21200mm×12020mm，車站結構主體采用混凝土的等級為C40，其中車站具體結構圖如圖1所示。

2.2 通過對地下車站結構進行分析，上部結構基礎為筏板，地下車站和周圍土體之間的摩擦接觸系數(shù)按照準許彈性滑動罰接觸算法進行計算，并且定義法向接觸為硬性接觸，準許筏板穿入上層土體。其中摩擦系數(shù)為0.32。按照以上分析可以將地下車站具象化模型如圖2所示。

2.3 如圖2所示，飽和軟土Gb和rb之間具有雙曲線關系，其中土體卸載應力應變關系可以歸納總結為以下公式：

τ= τc+Gmax (γ-γc)［1-H(1 n｜γ-γc｜)］ 〖FH〗（1）

其中Tc、rc分別表示卸載裝這點應力和應變參數(shù)，H是描述應力-應變關系基本函數(shù)，Gmax是初始化的切線模型，n取值為1或者2 ，對應初始加載和卸載。

3. 模擬結果計算和分析

3.1 地震動輸入。

工程中采用場地50年基準期超越概率15%的人工波和El-Centro波作為地震動輸入。采用ABAQUS軟件的umat接口真?zhèn)€系統(tǒng)進行仿真，主要使用過采用有限單元方法模擬場地吸收地震波的情況。試驗結果如圖3所示。

3.2 相對位移反映。

（1）通過對地震動輸入的模擬和分析，地下車站的水平位移如圖4所示。

（2）如圖4所示地下車站的相對水平位移是隨機的，地表無建筑成為工況1 ，地表存在建筑的時候被稱為工況2，所以工況1 的情況下，車站結構相對位移的峰值為6.6mm，但是當?shù)乇泶嬖诮ㄖ锏臅r候，車站相對位移峰值為8.6mm，峰值相對位移增加了2.0mm，可見地表建筑對車站相對位移是有影響的 ［2］。

3.3 動內(nèi)力反映。

地下車站某些檢測單元在水平方向上面應力比豎直方向上的應力大，但是有些檢測單元在數(shù)值正應力比水平正應力大。由于地下車站結構采用實體單元，所以無法檢測到車站內(nèi)部內(nèi)力，所以采用平面單元模擬地下車站可以有效得出地下車站的軸向力、剪力和彎矩。地表無建筑物的時候整個體系結構呈現(xiàn)對稱性，聚義表現(xiàn)為以車站中心軸為界經(jīng)過簡單的計算可以得出相對稱處的側墻軸力、剪力和彎矩大致相仿。但是在地表有建筑物的時候，整個體系結構就不再是對稱的，結構內(nèi)力也不再對稱，具體體現(xiàn)就是在相對應的剪力、軸力和彎矩會有部分增大，靠近地表建筑的地下結構比遠離建筑地下結構的位移更大?？v觀整體地下車站結構，樓板處動內(nèi)力反映峰值相對于側墻的動內(nèi)力峰值較小，但是這些不同時不容忽視的。

4. 影響因素分析

地表建筑對地下車站結構地震影響包含諸多復雜的因素，比如建筑本身特性，地震頻波特性、土體非線性情況，以及地表空間和地標建筑的尺度和規(guī)模。本文由于篇幅的限制主要講述了建筑自振周期、相對位置變化、建筑埋深、建筑跨距、地震波形等因素的影響。

4.1 建筑自振周期因素的影響。

（1）為了分析比較建筑自振周期對地下車站的影響，采用兩棟不同層數(shù)的建筑試驗，其中建筑物的高度分別為：6層和12層，建筑層高為3.6m，三跨層平均間距為6.4m。建筑物梁結構界面尺寸為400mm×600mm，柱子截面為800mm×800mm，建筑模型的確定采用上述方法，經(jīng)過必要的分析和計算能夠準確分析車站相對位移和動內(nèi)力相應變化 ［3］。地下車站墻體動內(nèi)力峰值如表1所示。

表1 地下車站墻體動內(nèi)力峰值表

部件名稱 內(nèi)力 工況1 工況2 工況3

El-Centro波 M 218.6 303.07

38.6 303.438.67Q 166.2 222.43

33.66 215.6829.6

N 200 316.758.40 338.6869.34

表2 地下車站結構構件動內(nèi)力峰值表

部件名稱 內(nèi)力 工況1 工況2 工況3

El-Centro波

M 218.7 303.07

38.6 288.1

31.6

Q 166.4 222.43

33.66 220.2

32.3

N 200 316.7

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58.40 285.4

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（2）如表1所示，地下車站內(nèi)部構件動內(nèi)力和無地表建筑工況會有不同程度的增加，但是當建筑物層數(shù)增加到一定層數(shù)的時候，內(nèi)動力范圍會有所減小。綜合上述，在一定范圍內(nèi)，建筑層數(shù)增加其內(nèi)動力會有所增加，但是到了某個轉折點，建筑層數(shù)的增加將不會影響地下車站結構?？梢姰?shù)貥私ㄖ哉裰芷诤偷卣鸩ㄌ卣髦芷谙嘟臅r候影響相對較大。

4.2 建筑相對位置因素的影響。

（1）地表相鄰建筑之間的相對位置采用凈距離來描述，具體到本工程是鄰近建筑物柱體和地下車站之間的水平距離。將無地表建筑的情況定為工況1 ，地表有建筑物，凈距離為5m的情況定義為工況2 ，地表有建筑物，凈距離為10m的情況定義為工況3，地下車站結構構件動內(nèi)力峰值一覽表如表2所示。

（2）從表2可以看出，地標建筑和地下車站凈距離增加，側墻內(nèi)動力逐漸減小，換句話說也就是建筑凈距離越大，對地下車站結構動力影響越小。

4.3 建筑埋深因素的影響

建筑埋深地下的深對地下車站結構的影響是十分明顯的，通常情況下，錢買隧道受到地震影響的風向要高于深埋建筑。本文以埋深5.0m、15.0m、20.0m、25.0m為例考察了埋深因素的影響。經(jīng)過實際測試可以發(fā)現(xiàn)建筑框架4個角點的位移基本一致。建筑埋深增加會導致建筑結構各項指標相應降低，所以適當?shù)慕ㄖ裆钅軌蛴行Ы档偷卣鹩绊?。埋深深度達到15.0m的時候，結構相應大小處于同一等級。埋深達到20.0m范圍之內(nèi)的時候，建筑物結構響應降低，如果埋深深度達到30.0m以上的時候，地震對建筑結構的影響可以忽略不計。

4.4 建筑跨距因素的影響

建筑跨距能夠影響建筑結構承載能力，特別是在靜力負荷作用下，設計人員為了取得最大的建筑空間會擴大建筑空間，但是隨著跨距的不斷增加，柱承擔的有效負載會增加，造成建筑結構不安全的情況。所以在實際工程中，建筑設計人員可以通過改變柱形式，比如采用雙柱取代單柱，來增加柱子之間跨距。經(jīng)過測試對比結果可以發(fā)現(xiàn)建筑結構跨距影響建筑結構內(nèi)在動力，柱內(nèi)剪力和頂板內(nèi)彎矩都有所增加。地震波的作用主要是側向負荷，軸力增加不明顯，增加柱間跨距對整體地下車站位移、速度和加速度的影響是微不足道的。概括來說，跨距大小雖然對車站結構的動力響應沒有明顯的直接影響。但是，隨著跨距的增加，結構內(nèi)力顯著增大。如果考慮豎向地震荷載作用，有可能產(chǎn)生危險內(nèi)力。

4.5 地震波因素的影響

地震波作為多種諧波的疊加，不同地震波的振幅、頻率也是各不相同的，才外地震波在傳播過程中會出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象，所以地表建筑在不同地震波影響下對地下車站的影響也有所差異。地震波輸入不同對地下車站結構動力響應也是不同的。因此實際設計過程中，為確保分析結果的合理性和準確性，合理選擇輸入地震波是十分必要的。

5. 結語

本文構建了地表建筑——地下車站一體化的模型，并且通過相關軟件驗證得出地表建筑對地下車站的影響，當?shù)乇泶嬖诮ㄖ臅r候，地下車站對會在地震波的作用下發(fā)生相對位移。地表沒有建筑物的時候，系統(tǒng)模型呈現(xiàn)對稱型，結構動內(nèi)力也呈對稱特點。當?shù)乇泶嬖诮ㄖ臅r候，地下車站左右兩側動內(nèi)力是不相同，靠近建筑物的車站結構幅度增加更為明顯。如果建筑本身自振頻率和地震波頻率相似，那么地下車站受到的影響將會十分明顯。

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參考文獻

［1］ 何偉，陳建云，于品卿.地下結構開發(fā)對場地地表反映譜影響研究［J］.地下空間與工程學報，2010.5(6):1098～1102.

［2］ 楊林德.上海市地鐵區(qū)間隧道和車站的地震災害與防治對策研究［R］.上海:同濟大學上海防災救災研究所，2009(12):29～30.

［3］ 王國波.軟土地鐵車站結構三維地震響應計算理論與方法的研究［D］.上海:同濟大學，2012.6(2):11～12.

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［文章編號］1619-2737（2014）06-12-831

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58.40 285.4

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（2）如表1所示，地下車站內(nèi)部構件動內(nèi)力和無地表建筑工況會有不同程度的增加，但是當建筑物層數(shù)增加到一定層數(shù)的時候，內(nèi)動力范圍會有所減小。綜合上述，在一定范圍內(nèi)，建筑層數(shù)增加其內(nèi)動力會有所增加，但是到了某個轉折點，建筑層數(shù)的增加將不會影響地下車站結構?？梢姰?shù)貥私ㄖ哉裰芷诤偷卣鸩ㄌ卣髦芷谙嘟臅r候影響相對較大。

4.2 建筑相對位置因素的影響。

（1）地表相鄰建筑之間的相對位置采用凈距離來描述，具體到本工程是鄰近建筑物柱體和地下車站之間的水平距離。將無地表建筑的情況定為工況1 ，地表有建筑物，凈距離為5m的情況定義為工況2 ，地表有建筑物，凈距離為10m的情況定義為工況3，地下車站結構構件動內(nèi)力峰值一覽表如表2所示。

（2）從表2可以看出，地標建筑和地下車站凈距離增加，側墻內(nèi)動力逐漸減小，換句話說也就是建筑凈距離越大，對地下車站結構動力影響越小。

4.3 建筑埋深因素的影響

建筑埋深地下的深對地下車站結構的影響是十分明顯的，通常情況下，錢買隧道受到地震影響的風向要高于深埋建筑。本文以埋深5.0m、15.0m、20.0m、25.0m為例考察了埋深因素的影響。經(jīng)過實際測試可以發(fā)現(xiàn)建筑框架4個角點的位移基本一致。建筑埋深增加會導致建筑結構各項指標相應降低，所以適當?shù)慕ㄖ裆钅軌蛴行Ы档偷卣鹩绊?。埋深深度達到15.0m的時候，結構相應大小處于同一等級。埋深達到20.0m范圍之內(nèi)的時候，建筑物結構響應降低，如果埋深深度達到30.0m以上的時候，地震對建筑結構的影響可以忽略不計。

4.4 建筑跨距因素的影響

建筑跨距能夠影響建筑結構承載能力，特別是在靜力負荷作用下，設計人員為了取得最大的建筑空間會擴大建筑空間，但是隨著跨距的不斷增加，柱承擔的有效負載會增加，造成建筑結構不安全的情況。所以在實際工程中，建筑設計人員可以通過改變柱形式，比如采用雙柱取代單柱，來增加柱子之間跨距。經(jīng)過測試對比結果可以發(fā)現(xiàn)建筑結構跨距影響建筑結構內(nèi)在動力，柱內(nèi)剪力和頂板內(nèi)彎矩都有所增加。地震波的作用主要是側向負荷，軸力增加不明顯，增加柱間跨距對整體地下車站位移、速度和加速度的影響是微不足道的。概括來說，跨距大小雖然對車站結構的動力響應沒有明顯的直接影響。但是，隨著跨距的增加，結構內(nèi)力顯著增大。如果考慮豎向地震荷載作用，有可能產(chǎn)生危險內(nèi)力。

4.5 地震波因素的影響

地震波作為多種諧波的疊加，不同地震波的振幅、頻率也是各不相同的，才外地震波在傳播過程中會出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象，所以地表建筑在不同地震波影響下對地下車站的影響也有所差異。地震波輸入不同對地下車站結構動力響應也是不同的。因此實際設計過程中，為確保分析結果的合理性和準確性，合理選擇輸入地震波是十分必要的。

5. 結語

本文構建了地表建筑——地下車站一體化的模型，并且通過相關軟件驗證得出地表建筑對地下車站的影響，當?shù)乇泶嬖诮ㄖ臅r候，地下車站對會在地震波的作用下發(fā)生相對位移。地表沒有建筑物的時候，系統(tǒng)模型呈現(xiàn)對稱型，結構動內(nèi)力也呈對稱特點。當?shù)乇泶嬖诮ㄖ臅r候，地下車站左右兩側動內(nèi)力是不相同，靠近建筑物的車站結構幅度增加更為明顯。如果建筑本身自振頻率和地震波頻率相似，那么地下車站受到的影響將會十分明顯。

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參考文獻

［1］ 何偉，陳建云，于品卿.地下結構開發(fā)對場地地表反映譜影響研究［J］.地下空間與工程學報，2010.5(6):1098～1102.

［2］ 楊林德.上海市地鐵區(qū)間隧道和車站的地震災害與防治對策研究［R］.上海:同濟大學上海防災救災研究所，2009(12):29～30.

［3］ 王國波.軟土地鐵車站結構三維地震響應計算理論與方法的研究［D］.上海:同濟大學，2012.6(2):11～12.

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［文章編號］1619-2737（2014）06-12-831

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（2）如表1所示，地下車站內(nèi)部構件動內(nèi)力和無地表建筑工況會有不同程度的增加，但是當建筑物層數(shù)增加到一定層數(shù)的時候，內(nèi)動力范圍會有所減小。綜合上述，在一定范圍內(nèi)，建筑層數(shù)增加其內(nèi)動力會有所增加，但是到了某個轉折點，建筑層數(shù)的增加將不會影響地下車站結構?？梢姰?shù)貥私ㄖ哉裰芷诤偷卣鸩ㄌ卣髦芷谙嘟臅r候影響相對較大。

4.2 建筑相對位置因素的影響。

（1）地表相鄰建筑之間的相對位置采用凈距離來描述，具體到本工程是鄰近建筑物柱體和地下車站之間的水平距離。將無地表建筑的情況定為工況1 ，地表有建筑物，凈距離為5m的情況定義為工況2 ，地表有建筑物，凈距離為10m的情況定義為工況3，地下車站結構構件動內(nèi)力峰值一覽表如表2所示。

（2）從表2可以看出，地標建筑和地下車站凈距離增加，側墻內(nèi)動力逐漸減小，換句話說也就是建筑凈距離越大，對地下車站結構動力影響越小。

4.3 建筑埋深因素的影響

建筑埋深地下的深對地下車站結構的影響是十分明顯的，通常情況下，錢買隧道受到地震影響的風向要高于深埋建筑。本文以埋深5.0m、15.0m、20.0m、25.0m為例考察了埋深因素的影響。經(jīng)過實際測試可以發(fā)現(xiàn)建筑框架4個角點的位移基本一致。建筑埋深增加會導致建筑結構各項指標相應降低，所以適當?shù)慕ㄖ裆钅軌蛴行Ы档偷卣鹩绊憽Ｂ裆钌疃冗_到15.0m的時候，結構相應大小處于同一等級。埋深達到20.0m范圍之內(nèi)的時候，建筑物結構響應降低，如果埋深深度達到30.0m以上的時候，地震對建筑結構的影響可以忽略不計。

4.4 建筑跨距因素的影響

建筑跨距能夠影響建筑結構承載能力，特別是在靜力負荷作用下，設計人員為了取得最大的建筑空間會擴大建筑空間，但是隨著跨距的不斷增加，柱承擔的有效負載會增加，造成建筑結構不安全的情況。所以在實際工程中，建筑設計人員可以通過改變柱形式，比如采用雙柱取代單柱，來增加柱子之間跨距。經(jīng)過測試對比結果可以發(fā)現(xiàn)建筑結構跨距影響建筑結構內(nèi)在動力，柱內(nèi)剪力和頂板內(nèi)彎矩都有所增加。地震波的作用主要是側向負荷，軸力增加不明顯，增加柱間跨距對整體地下車站位移、速度和加速度的影響是微不足道的。概括來說，跨距大小雖然對車站結構的動力響應沒有明顯的直接影響。但是，隨著跨距的增加，結構內(nèi)力顯著增大。如果考慮豎向地震荷載作用，有可能產(chǎn)生危險內(nèi)力。

4.5 地震波因素的影響

地震波作為多種諧波的疊加，不同地震波的振幅、頻率也是各不相同的，才外地震波在傳播過程中會出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象，所以地表建筑在不同地震波影響下對地下車站的影響也有所差異。地震波輸入不同對地下車站結構動力響應也是不同的。因此實際設計過程中，為確保分析結果的合理性和準確性，合理選擇輸入地震波是十分必要的。

5. 結語

本文構建了地表建筑——地下車站一體化的模型，并且通過相關軟件驗證得出地表建筑對地下車站的影響，當?shù)乇泶嬖诮ㄖ臅r候，地下車站對會在地震波的作用下發(fā)生相對位移。地表沒有建筑物的時候，系統(tǒng)模型呈現(xiàn)對稱型，結構動內(nèi)力也呈對稱特點。當?shù)乇泶嬖诮ㄖ臅r候，地下車站左右兩側動內(nèi)力是不相同，靠近建筑物的車站結構幅度增加更為明顯。如果建筑本身自振頻率和地震波頻率相似，那么地下車站受到的影響將會十分明顯。

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參考文獻

［1］ 何偉，陳建云，于品卿.地下結構開發(fā)對場地地表反映譜影響研究［J］.地下空間與工程學報，2010.5(6):1098～1102.

［2］ 楊林德.上海市地鐵區(qū)間隧道和車站的地震災害與防治對策研究［R］.上海:同濟大學上海防災救災研究所，2009(12):29～30.

［3］ 王國波.軟土地鐵車站結構三維地震響應計算理論與方法的研究［D］.上海:同濟大學，2012.6(2):11～12.

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［文章編號］1619-2737（2014）06-12-831

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