地震區(qū)砂卵石地層地鐵車站不同荷載組合下主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較

王志杰，何晟亞，鮮一丁，袁曄

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

地震區(qū)砂卵石地層地鐵車站不同荷載組合下主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較

王志杰，何晟亞，鮮一丁，袁曄

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

為了提高地震區(qū)砂卵石地層地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的安全性，利用ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算基本荷載組合、標(biāo)準(zhǔn)荷載組合、地震荷載組合以及人防荷載組合情況下的內(nèi)力值。通過(guò)分析得出，不同荷載組合情況下的最大內(nèi)力值均出現(xiàn)于側(cè)墻與底板相交處;不同荷載組合所產(chǎn)生的最大內(nèi)力值中人防荷載組合的最大，需要予以重視;地震荷載組合的內(nèi)力是非對(duì)稱的，所以車站主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮地震荷載組合。

地震多發(fā)帶 砂卵石地層 車站主體結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 荷載組合 人防荷載

地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，大致可以分為荷載結(jié)構(gòu)模型、地層結(jié)構(gòu)模型、經(jīng)驗(yàn)類比模型和收斂約束模型四類［1］。對(duì)于城市地鐵車站，考慮到結(jié)構(gòu)主要是被動(dòng)地承受圍巖松動(dòng)帶來(lái)的荷載，而且埋深較淺，可以確定結(jié)構(gòu)上覆荷載、側(cè)向荷載以及結(jié)構(gòu)下部荷載，同時(shí)結(jié)構(gòu)的支護(hù)剛度足夠大，所以采用荷載結(jié)構(gòu)模型來(lái)計(jì)算地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

砂卵石地層透水性較強(qiáng)，且具有壓實(shí)性好、抗剪強(qiáng)度高、不易液化等優(yōu)勢(shì)。在地震作用下，其地層穩(wěn)定性仍是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

現(xiàn)在地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載組合，分別是基本荷載組合、標(biāo)準(zhǔn)荷載組合和地震荷載。另外，由于其他國(guó)家在建造地鐵的時(shí)候都會(huì)考慮到將其作為戰(zhàn)爭(zhēng)避難所，所以考慮人防荷載。通過(guò)全面分析四種荷載組合情況下的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力，得到何種荷載組合情況下出現(xiàn)最大內(nèi)力值，并分析最大內(nèi)力值出現(xiàn)的位置，這對(duì)地鐵車站來(lái)說(shuō)，都是值得研究的問(wèn)題。

1 工程背景

某地鐵車站處于地震多發(fā)帶的砂卵石地層中，結(jié)構(gòu)為兩層雙等跨單柱形式。由于地面上下環(huán)境條件的允許，所以采用明挖法施工。主體結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的鋼筋混凝土，保護(hù)層厚度為50 mm。車站主體結(jié)構(gòu)底板埋深為16.29 m，頂板埋深為2 m，其結(jié)構(gòu)每跨為9.05 m，負(fù)一層高度為4.9 m，負(fù)二層高度為6.35 m?？拐鸱涝O(shè)烈度為Ⅵ度，地震分組為第三組，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震設(shè)計(jì)特征周期為0.45 s。具體的土層參數(shù)如表1所示，設(shè)計(jì)橫斷面簡(jiǎn)圖如圖1所示。

表1 土層參數(shù)

圖1 地鐵車站設(shè)計(jì)橫斷面示意

2 荷載組合計(jì)算

2.1 基本荷載組合與標(biāo)準(zhǔn)荷載組合

基本荷載組合與標(biāo)準(zhǔn)荷載組合是地鐵車站主體結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算中的常規(guī)荷載組合方式。根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。其中基本荷載組合的計(jì)算公式為

式中:SGik為第i個(gè)永久作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SP為預(yù)應(yīng)力作用有關(guān)代表值的效應(yīng);SQ1k為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);SQjk為第j個(gè)可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);γGi為第i個(gè)永久作用的分項(xiàng)系數(shù);γP為預(yù)應(yīng)力作用的分項(xiàng)系數(shù);γQ1為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)的分項(xiàng)系數(shù);γL1，γLj為第1個(gè)和第j個(gè)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的荷載調(diào)整系數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期相同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)取γL=1，房屋建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)應(yīng)取該系數(shù)為1.1。γQj為第j個(gè)可變作用的分項(xiàng)系數(shù);ψcj為第j個(gè)可變作用的組合值系數(shù)。

而標(biāo)準(zhǔn)荷載組合的計(jì)算公式為

式中:Gik為第i個(gè)永久作用的標(biāo)準(zhǔn)值;P為預(yù)應(yīng)力作用的有關(guān)代表值;Q1k為第1個(gè)可變作用(主導(dǎo)可變作用)的標(biāo)準(zhǔn)值;Qjk為第j個(gè)可變作用的標(biāo)準(zhǔn)值;其余符號(hào)與上述公式中符號(hào)指代相同。

由以上公式可以計(jì)算出基本荷載組合和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合，見表2。

2.2 地震荷載組合

按鐵路隧道結(jié)構(gòu)地震作用分析方法計(jì)算本車站主體結(jié)構(gòu)地震荷載組合。其中相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算運(yùn)用的是擬靜力法［2-3］，其公式如下

頂板處的地震均布水平荷載

側(cè)墻處的地震均布水平荷載

中板均布荷載，其中人群荷載q人群和設(shè)備荷載q設(shè)備，取值分別為4 kPa和8 kPa。

各板處的地震水平集中荷載

式中:η為水平地震作用修正系數(shù)，非巖石地基取值0.25;m頂板為頂板質(zhì)量;m側(cè)墻為側(cè)墻質(zhì)量;Ag為地震動(dòng)峰值加速度;B為車站主體結(jié)構(gòu)寬度;H為車站主體結(jié)構(gòu)高度;mi為各板質(zhì)量。

等效靜力法計(jì)算地震作用，其地震主動(dòng)土壓力由兩部分組成，分別是地震狀態(tài)下的主動(dòng)土壓力增量以及主動(dòng)土壓力。

地震狀態(tài)下的主動(dòng)土壓力增量計(jì)算公式

式中:φE為地震動(dòng)修正后土的內(nèi)摩擦角;φ為土的內(nèi)摩擦角;θ為地震角;λE為地震主動(dòng)土壓力系數(shù);γE為修正后土的重度;γ為計(jì)算點(diǎn)以上土的加權(quán)平均天然重度;ei為地震主動(dòng)土壓力增量;λ為自然狀態(tài)下主動(dòng)土壓力系數(shù);hi為土層厚度。

由以上公式可以計(jì)算出地震荷載組合，見表3。地震狀態(tài)下，主動(dòng)土壓力增量計(jì)算參數(shù)見表4。

表3 主體結(jié)構(gòu)的地震荷載組合情況

表4 主動(dòng)土壓力增量計(jì)算參數(shù)

2.3 人防荷載組合

考慮到核武器爆炸動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的人防荷載，由于頂板埋深為2 m，在不考慮任何系數(shù)的情況下，采用最大的人防荷載，假定頂板處人防荷載為70 kPa;底板處人防荷載為55 kPa;側(cè)墻處的人防荷載為50 kPa［4-5］。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 ANSYS數(shù)值模型

本車站主體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬利用的是ANSYS，采用荷載結(jié)構(gòu)模型的方式進(jìn)行計(jì)算。利用彈簧來(lái)代替地基對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的地基反力。由于此模型結(jié)構(gòu)與荷載是正對(duì)稱，所以中柱在計(jì)算中不存在水平位移，故在此處底端添加水平方向的約束，使該點(diǎn)的水平位移為0。經(jīng)過(guò)建模后，本模型單元數(shù)為134，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為114，具體模型見圖2。

3.2 結(jié)果分析

地鐵車站在基本荷載組合、標(biāo)準(zhǔn)荷載組合、地震荷載組合以及人防荷載組合情況下的主體結(jié)構(gòu)彎矩如圖3所示。最大彎矩的單元、最大彎矩值以及荷載組合情況見表5。最大剪力的單元、最大剪力值以及荷載組合情況見表6。最大軸力的單元、最大軸力值以及荷載組合情況見表7?？梢姵卣鸷奢d組合外，基本荷載組合、標(biāo)準(zhǔn)荷載組合以及人防荷載組合的彎矩圖、軸力圖都是正對(duì)稱圖形，而剪力圖為反對(duì)稱圖形，這種情況與理論相符。

圖2 車站主體結(jié)構(gòu)模型

圖3 不同荷載組合下的主體結(jié)構(gòu)彎矩(單位:N·m)

表5 不同荷載組合情況下的最大彎矩值kN·m

表6 不同荷載組合情況下的最大剪力值kN

表7 不同荷載組合情況下的最大軸力值kN

4 比較分析

通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬得到了在地震多發(fā)帶砂卵石地層的車站主體結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力和軸力情況。除了地震荷載組合外，其他荷載組合下的彎矩、軸力都具有正對(duì)稱性，剪力具有反對(duì)稱性。由于地震荷載組合的非對(duì)稱性，導(dǎo)致其彎矩、軸力和剪力的非對(duì)稱性，所以地震荷載需要考慮到設(shè)計(jì)中。

根據(jù)表5，地震荷載組合下最大的彎矩值小于基本荷載組合的最大彎矩值。人防荷載組合的最大彎矩值大于其余任意一個(gè)荷載組合情況下的最大彎矩值，所以人防荷載下的彎矩需要考慮到主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

根據(jù)表6，各個(gè)荷載組合情況下，剪力的最大值發(fā)生于人防荷載組合下。其比基本荷載組合情況下的剪力最大值大了13%，在工程中不可忽視，需要在設(shè)計(jì)配筋中考慮到人防荷載。地震荷載組合情況下的剪力最大值與標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下的剪力最大值相比較，小了5%，在工程中可以忽略。

根據(jù)表7，各種荷載組合情況下的軸力最大值均在中柱的最低端處。同時(shí)人防荷載組合的軸力最大值遠(yuǎn)較其它組合大，在地鐵車站設(shè)計(jì)中，不可忽視。

5 結(jié)語(yǔ)

在地震區(qū)卵石地層中，地下結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。地震荷載組合對(duì)于結(jié)構(gòu)的正常使用情況沒(méi)有影響，與其余的荷載組合相比較，數(shù)值上沒(méi)有太大的差別，但是由于地震荷載組合所產(chǎn)生的內(nèi)力是非對(duì)稱的，所以在設(shè)計(jì)中需要考慮。對(duì)于人防荷載，其內(nèi)力值均是最大的，可見核爆炸所產(chǎn)生的動(dòng)荷載對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響非常大，所以在地鐵車站設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要考慮日后戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，將人防荷載作為考慮的因素。

［1］宋玉香，賈曉云，朱永全．地鐵隧道豎向土壓力荷載的計(jì)算研究［J］．巖土力學(xué)，2007，28(10):2240-2244．

［2］邊金，陶連金，張印濤，等．地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的比較與分析［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(6):50-55．

［3］劉如山，胡少卿，石宏彬．地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中擬靜力法的地震荷載施加方法研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(2): 237-242．

［4］袁正如，程立國(guó)．高層建筑防空地下室的人防荷載估算［J］．地下空間，1996(16):149-152．

［5］劉如山，石宏彬．地下結(jié)構(gòu)橫切面抗震計(jì)算中擬靜力計(jì)算方法的研究［J］．工程抗震與加固改造，2005，27(增):148-154．

Comparison of internal forces in main structure of metro station buried in sand gravel stratum at earthquake zone subjected to different combination of loads

WANG Zhijie，HE Shengya，XIAN Yiding，YUAN Ye
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In order to improve the main structure safety of the metro station in sand gravel stratum of earthquake zone，the internal force values of basic load combination，standard load combination，seismic load combination and civil defence load combination are calculated by numerical simulation with ANSYS．T he analyzing results showed that each maximum internal force value of different load combination appears in the intersection between side wall and floor，the internal force value of civil defence load combination is the maximum of all，which should be paid more attention，the internal force of the seismic load combination is asymmetry，which means seismic load combination should be considered in station main structure design．

Earthquake zone;Sand gravel stratum;Station main structure;Numerical simulation;Load combination; Civil defence load

TU93+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．17

1003-1995(2015)04-0062-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-05-19;

2014-09-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西萬(wàn)榮人，教授，碩士。