地下車站結(jié)構(gòu)抗震分析方法概述

摘要：隨著城市建設發(fā)展，城市人口越來越多，給城市地上交通帶來壓力，地鐵等地下車站成為緩解交通問題的重要形式。地下車站結(jié)構(gòu)的地震反應特性明顯區(qū)別于地上結(jié)構(gòu)，地上結(jié)構(gòu)是以慣性力為主的地震反應，而地下結(jié)構(gòu)的地震反應是以相對位移及變形為主。本文對地下車站結(jié)構(gòu)抗震分析方法做出說明，并對相對位移的反應位移法進行了詳細的闡述，重點介紹了此方法的計算過程和所需參數(shù)，從而得到一些有益的結(jié)論。

關鍵詞：地下車站；抗震分析；分析方法；反應位移法

引言

隨著我國城市化的大規(guī)模的發(fā)展，人口聚集，人們也越來越認識到減輕城市交通壓力只有通過建設地下交通設施才能解決城市交通問題。地鐵以其獨有的快捷和便利優(yōu)勢，在大多數(shù)經(jīng)濟發(fā)達城市的交通中發(fā)揮著不可替代的作用。地下車站結(jié)構(gòu)的抗震分析和設計及其安全性評價日益受到密切關注。近年來，我國的地下車站建設發(fā)展迅速，地下結(jié)構(gòu)的設計規(guī)范也日趨完善，但對地下車站結(jié)構(gòu)抗震方面的研究相對欠缺。所以，研究地下結(jié)構(gòu)的抗震問題具有重大意義。

一、地下車站結(jié)構(gòu)抗震分析的意義

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市軌道交通的建設對于緩解城市交通壓力的作用日益明顯。目前，我國城市軌道交通工程運營總里 程約為1 800 km，運營車約為1200座，與地鐵結(jié)緣的城市已達36個，一些二三線城市也積極準備進行城市道交通建設我國是一個地震災害頻發(fā)的國家，許多城市都位于地震帶上，而地鐵工程又是城市的生命線工程，一旦破壞，生命財產(chǎn)和經(jīng)濟損失巨大。

二、地下車站結(jié)構(gòu)抗震的分析方法

目前對地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的地震 反應研究還處于初級階段，主要的計算方 法有地震系數(shù)法、彈性或彈塑性時程計算法、反應位移法等計算法。

1、地震系數(shù)法

地震系數(shù)法是一種從地面結(jié)構(gòu)抗震設計方法類比而來的地下結(jié)構(gòu)抗震設計法。該方法將隨時間變化的地震力用等代的靜力地震荷載代替，再用靜力計算方法分析地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)剛度大、變形小，重量比周圍土層大很多時，結(jié)構(gòu)的慣性力起到支配作用，可近似采用地震系數(shù)法進行計算。但地下車站由于自重相對于周邊土體較小，慣性力不起支配作用，因此采用地震系數(shù)法大多是不合適的。

2、彈性或彈塑性時程計算法

彈性時程方法及非線性時程方法是目前最為先進的計算方法，但其技術(shù)要求相對復雜，計算中對土巖本構(gòu)關系和邊界條件的選取對計算結(jié)果的影響非常顯著。因此，在一般地下車站的抗震計算中普遍采用該方法尚存在一定困難。

3、反應位移法

反應位移法基于一維土層地震反應分析，計算結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合，可以反映土-結(jié)構(gòu)間的相互作用，是發(fā)達國家目前普遍采用的地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法之一，強制位移（頂、底板間位移差值）施加在車站結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，通過地基彈簧將其轉(zhuǎn)化為地震時結(jié)構(gòu)周圍的動土壓力。結(jié)構(gòu)同時施加由本身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，以及結(jié)構(gòu)與周圍地層的切向彈簧或剪切力，共同構(gòu)成反應位移法計算的荷載系統(tǒng)。土層相對位移可轉(zhuǎn)化為施加于側(cè)墻的等效集中力。結(jié)構(gòu)慣性力為加速度乘以結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

地震對結(jié)構(gòu)的影響包含三種荷載作用：結(jié)構(gòu)頂、底板的相對位移，慣性力，結(jié)構(gòu)周面剪力。建立反應位移法計算的有限元模型需要確定：①一維地震反應分析所需的各土層參數(shù)及條件，如場地土動剪切剛度、阻尼系數(shù)與剪應變的關系曲線，初始剪切剛度，土的重度、層厚，設計地震動參數(shù)等；②地基彈簧剛度；③地震反應位移（土體相對位移作用于結(jié)構(gòu)的荷載）；④慣性力；⑤結(jié)構(gòu)周面剪力等。

三、反應位移法分析

下面重點分析反應位移法計算過程：

1.所需參數(shù)

（1）場地土應變關系曲線（G/G0～γ、h～γ）一般由場地安評報告提供。也可以對各站點場地土進行原狀土取樣，通過室內(nèi)試驗完成動三軸試驗獲得。

（2）土體初始剪切剛度、土的重度、層厚一般由地勘報告提供。

（3）設計地震動參數(shù)

①人工合成地震波：以基巖加速度反應譜和峰值為目標，用數(shù)值模擬的方法合成地震波。②滿足設防烈度要求地震儀記錄地震波波形。

2.地震荷載計算

（1）土層橫向位移（計算中轉(zhuǎn)化為施加于側(cè)墻節(jié)點處的等效集中力）：

①反應位移法中，作用于地下結(jié)構(gòu)的地震外力就是周邊土層的反應位移，該位 移可以通過一維地震反應分析得到。

②工程場地地震安全性評價報告會提供場地地震動位移隨深度的變化結(jié)果，設計中可以直接采用其結(jié)果。

③如果沒有對工程場地進行地震安全性評價時，可按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范》確定位移隨深度的變化。

式中， — —地震時場地深度 z 處土層的水平位移；

Z ----深度；

— — 場地地表最大位移，取值按本規(guī)范規(guī)定；

H — — 地表面至設計地震作用基準面的距離。

反應位移法需將地下結(jié)構(gòu)周圍土層在地震作用下的最大位移（可取相對變形，令相應于結(jié)構(gòu)底面的位移為零）施加于結(jié)構(gòu)兩側(cè)面壓縮彈簧及上部剪切彈簧遠離結(jié)構(gòu)的端部。但是在彈簧遠離結(jié)構(gòu)的一端施加強制位移較為困難，可將強制位移按下式轉(zhuǎn)換為直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)壁和頂板上等效集中荷載。

式中，— — 直接施加在結(jié)構(gòu)側(cè)壁上的等效集中荷載；

— — 直接施加在結(jié)構(gòu)頂板的等效荷載；

— — 地下結(jié)構(gòu)頂板處的土層位移；

— — 地下結(jié)構(gòu)底板處的土層位移。

地基彈簧剛度 k 可按下式計算：

式中，k— — 壓縮或剪切地基彈簧剛度；

K— — 地基反力系數(shù)；

L— — 地基彈簧影響長度；

d— — 土層沿隧道與地下車站縱向的計算長度。

（2）慣性力

結(jié)構(gòu)的慣性力為地下結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量乘以最大加速度，作為集中力可以作用在結(jié)構(gòu)形心處。結(jié)構(gòu)慣性力可按下式計算：

式中，— — 結(jié)構(gòu) i 單元上作用的慣性力；

— — 結(jié)構(gòu) i 單元的斷面積（縱向單位長度）；

— — 結(jié)構(gòu)的重度；

— — 地震反應分析得到的對應結(jié)構(gòu) i 單元位置處的加速度。

— — 重力加速度。

（3）土層剪力

① 結(jié)構(gòu)上下表面的土層剪力可由一維土層地震反應分析來獲得，其中側(cè)墻剪力為一維土層地震反應分析的結(jié)果加權(quán)平均；

②另一種方法是先利用反應譜法計算土層位移，然后通過土層位移微分確定土層應變，最終通過土層應變計算土層剪力。反應譜法頂板處受到的剪應力為：

式中，— — 土體動剪切模量（kN/㎡）；

H — — 地表面至設計地震作用基準面的距離（m）；

— — 震動基準面速度反應譜（m/s）；

— — 地層的固有周期（s）；

— — 結(jié)構(gòu)頂板距地表面深度（m）。

底板處剪應力依此公式類推。

結(jié)束語：結(jié)合實際經(jīng)驗，反應位移法在地下車站抗震設計的可行性是最大的，也是應用最廣泛的。本文對反應位移法進行了闡述，雖然目前國內(nèi)地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設計方法并不完善，地下車站是以相對位移及變形為主的地震反應，但是采用相對位移法是比較合適的。

參考文獻：

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