地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

黃滿斌

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院

地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

黃滿斌

遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院

軌道交通是城市交通運(yùn)輸體系中重要組成部分，但目前對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文通過對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在地震作用下標(biāo)準(zhǔn)車站二維計(jì)算是比較常用的，僅有部分建筑面積超過1萬(wàn)平方米的車站采用三維計(jì)算。通過歸納，在地震作用下車站中柱的內(nèi)力大于在靜力荷載作用下的內(nèi)力，在地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對(duì)中柱的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該采取構(gòu)造加強(qiáng)措施。

地鐵車站；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震計(jì)算

一、地鐵車站震害機(jī)理分析

地鐵車站的震害形態(tài)多樣，其差異性與地震的強(qiáng)度﹑震源深度﹑地震波的動(dòng)力特性﹑地質(zhì)條件﹑車站周圍土體介質(zhì)﹑車站結(jié)構(gòu)以及地震力的作用條件都具有很大的相關(guān)性，除此之外，地鐵車站的震害形態(tài)還與施工方法有著密切關(guān)系。地鐵車站結(jié)構(gòu)地震時(shí)破壞主要原因是受地震主要效應(yīng)及次要效應(yīng)所造成的。此效應(yīng)主要包含兩個(gè)方面：

二、實(shí)例

結(jié)合地勘資料，地震波特性，分析出模型的位移角及內(nèi)力，分析中柱抗震及具體措施：

1﹑工程概況。某地鐵車站主體結(jié)構(gòu)采用地下兩層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)。地面標(biāo)高取3.25m，結(jié)構(gòu)頂板上表面標(biāo)高0.25m，覆土厚度取為3.0m。結(jié)構(gòu)總高度13.38m，抗浮水位標(biāo)高2.15m。抗震設(shè)防烈度為7度﹑設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g﹑設(shè)計(jì)地震分組為第一組。50年超越概率10%所對(duì)應(yīng)的地面平均峰值加速度為0.0996g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，E2地震作用下的抗震性能驗(yàn)算采用反應(yīng)位移法計(jì)算，E3地震作用下結(jié)構(gòu)的變形性能采用非線性時(shí)程分析法計(jì)算。

2﹑反應(yīng)位移法抗震計(jì)算。本站覆蓋層厚度小于70m，結(jié)構(gòu)有效高度13.38m，底板埋深約16.38m，取本站基準(zhǔn)面埋深H=45m，某站場(chǎng)地深45m深處的地層波速滿足大于500m·s-1的要求。對(duì)頂板﹑左側(cè)墻﹑右側(cè)墻以及底板計(jì)算其位移﹑深度﹑地表位移﹑相對(duì)位移與等效節(jié)點(diǎn)力等數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果如表所示。

3﹑非線性時(shí)程分析法抗震計(jì)算

(1)模型建立。取地下結(jié)構(gòu)和土層的典型斷面，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體的幾何形狀﹑荷載和受力特征，將實(shí)際的三維空間問題簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問題，按各向均質(zhì)﹑各向同性粘彈性體考慮，采用GTS NX建立分層半無(wú)限空間模型，土層采用平面應(yīng)變單元﹑結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?。?dòng)力荷載作用下，模型各層之間假定不發(fā)生脫離和相對(duì)滑動(dòng)，界面滿足層間位移相互協(xié)調(diào)性。土層單元的尺寸為1m×1m，計(jì)算模型底面采用固定邊界，側(cè)面采用粘彈性人工邊界。模型底面取至強(qiáng)分化巖層面，頂面取地表面，側(cè)面邊界到結(jié)構(gòu)的距離取結(jié)構(gòu)水平寬度的3倍。計(jì)算模型同時(shí)考慮自重﹑地面超載和地震作用，在抗震分析的工況前添加自重作用下的靜力分析工況，計(jì)算模型在靜力計(jì)算獲得應(yīng)力場(chǎng)后，進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行荷載組合。

(2)特征值分析。通過特征值分析計(jì)算前兩階振型的自振頻率。特征值分析時(shí)不施加任何阻尼(包括邊界阻尼)及荷載，只有底面的固定邊界，然后對(duì)特征值進(jìn)行分析，確定其自振周期與自振頻率。根據(jù)結(jié)果可知，第1階和第9階振型的水平方向有效質(zhì)量比例最高，分別達(dá)到63.48%和6.75%，故取這兩階振型的自振頻率，該兩階振型的自振周期分別為0.3959s和0.8694s；土體阻尼比按常量0.05考慮。計(jì)算得出特征值如下：

(3)非線性時(shí)程分析結(jié)果。每組地震波截取0-25s這一段的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算，時(shí)程分析持續(xù)時(shí)間設(shè)置為25s，時(shí)間增量設(shè)置為0.02s，中間值輸出時(shí)間間隔設(shè)置為1s。使用振型阻尼進(jìn)行計(jì)算，輸入第1階和第9階振型的周期和阻尼比，阻尼比按照0.05考慮，在進(jìn)行計(jì)算前，需對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置。

第一組地震波作用下，負(fù)一層最大層間相對(duì)位移為9.674mm，對(duì)應(yīng)最大層間位移角為1.12×10-3；負(fù)二層最大層間相對(duì)位移為8.045mm，對(duì)應(yīng)最大層間位移角為1.278×10-3，時(shí)間點(diǎn)為地震波作用第16s。三組地震波作用下結(jié)構(gòu)斷面主要發(fā)生剪切變形，車站結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于規(guī)范限值4×10-3，滿足抗震規(guī)范要求的彈性限值及彈塑性限值。層間位移角匯總：

結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震工況的計(jì)算以及分析，同時(shí)結(jié)合車站的自身特點(diǎn)，認(rèn)為反應(yīng)位移法和非線性時(shí)程分析比較適合不同埋深以及不同土層條件下的抗震設(shè)計(jì)。同時(shí)在一維土層地震反應(yīng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上得知在均勻土層下，位移法及非線性時(shí)程分析計(jì)算得出的結(jié)果表明抗震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對(duì)中柱采取構(gòu)造加強(qiáng)措施。

[1]劉凌宇.典型地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地震作用的影響淺析[D].中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2014(10)：12-14.

[2]李新星，陳鴻，陳正杰.地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的適用性研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014(02)：323-325.