地鐵換乘車站結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值模擬分析

□文 /李美群

城市地下空間的綜合開發(fā)利用處于快速發(fā)展時期，城市地鐵線路規(guī)劃不可避免的出現(xiàn)兩條甚至多條在車站換乘，由此產(chǎn)生不同層數(shù)的地下?lián)Q乘車站。本文以天津地鐵11號線與12號線“L”形換乘車站為工程依托，分別通過反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法平面二維模型計算車站斷面、采用時程分析法對整個換乘車站三維空間模型進(jìn)行計算，分析地震作用下的受力狀態(tài)及變形。

1 工程概況

1.1 車站工程概況

天津地鐵11號線與12號線換乘車站位于洞庭路與東江道交口西側(cè)下方，沿東江道大致呈東西向敷設(shè)。與地鐵12號線“L”形節(jié)點換乘。車站周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)現(xiàn)狀為頤航大廈，南側(cè)現(xiàn)狀為天津陳塘科技商務(wù)區(qū)服務(wù)中心，西側(cè)現(xiàn)狀為待開發(fā)7號地塊，東側(cè)現(xiàn)狀為洞庭路。

1.2 場地反應(yīng)譜參數(shù)

車站場地反應(yīng)譜參數(shù)見表1。

1.3 地層參數(shù)

1.3.1 土層參數(shù)

采用Mohr-Coulomb模型（摩爾-庫倫）來描述土介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系。見表2。

1.3.2 邊界條件與地震波

計算中模型各邊界取至距離換乘節(jié)點50 m的位置，計算模型豎向：頂面取地表；底面取至設(shè)計地震作用基準(zhǔn)面，設(shè)計地震作用基準(zhǔn)面取在場地覆蓋土層70 m深的位置。為簡化計算，附屬結(jié)構(gòu)出入口及風(fēng)道未建入模型，此處采用彈性邊界模擬邊界條件，其他處采用粘性邊界模擬邊界條件并且用粘性邊界模擬邊界條件。采用安評報告提供的地震波沿x方向加載地震加速度。

表1 車站場地反應(yīng)譜參數(shù)

表2 車站場地模型

續(xù)表2

2 計算方法的選擇

抗震設(shè)計中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計算方法[1]見表3。

表3 地下車站地震反應(yīng)計算方法

地下車站抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。在多遇地震作用（多遇地震）下滿足抗震性能Ⅰ的要求；在罕遇地震作用（罕遇地震）下滿足抗震性能Ⅱ的要求。

按表3，一般車站或區(qū)間抗震分析可采用反應(yīng)位移法（多遇地震作用）和反應(yīng)加速度法（罕遇地震作用）。

反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法一般適用于平面二維模型。對特殊車站，當(dāng)平面二維模型不滿足計算需求時，需建立三維模型，三維計算的抗震分析應(yīng)采用時程分析法。

3 二維模型計算

3.1 反應(yīng)位移法

模型考慮周圍土體為地基彈簧，地下結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，由一維土層地震反應(yīng)分析計算得到土層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力和結(jié)構(gòu)周圍剪力三種地震作用[2]。地基彈簧剛度依據(jù)地基反力系數(shù)計算得出。

地下車站反應(yīng)位移法計算模型見圖1。

3.2 反應(yīng)加速度法

模型同樣考慮結(jié)構(gòu)周圍土體。車站結(jié)構(gòu)采用梁單元，土體采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行有限元建模[3]。土層豎向取70 m，水平向一般取結(jié)構(gòu)水平有效寬度的2～3倍，見圖2。

圖1 地下車站反應(yīng)位移法計算模型

圖2 地下車站反應(yīng)加速度法計算模型

3.3 計算結(jié)果

1）反應(yīng)位移法計算結(jié)果見圖3-圖6。

圖3 地下二層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面標(biāo)準(zhǔn)組合

圖4 地下二層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面抗震組合（多遇地震作用）

圖5 地下三層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面標(biāo)準(zhǔn)組合

圖6 地下三層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面抗震組合（多遇地震作用）

2）反應(yīng)加速度法計算結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 地下二層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面抗震組合層間水平位移值（罕遇地震作用）

圖8 地下三層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面抗震組合層間水平位移值（罕遇地震作用）

4 三維模型計算

車站整體計算模型較大，其中結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件采用板單元和梁單元進(jìn)行計算分析，土體采用實體單元進(jìn)行模擬。見圖9。

圖9 計算模型

計算結(jié)果見圖10。

圖10 位移

5 計算結(jié)果分析

1）根據(jù)反應(yīng)位移法內(nèi)力計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)尺寸及配筋起控制作用的主要取決于靜力工況。

2）三種方法的變形結(jié)果

（1）多遇地震作用下地下二層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面按彈性分析的層間位移角：負(fù)一層1/1 737＜1/550，負(fù)二層＝1/859＜1/550。結(jié)構(gòu)受力處于彈性階段，滿足規(guī)范要求。

地下三層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面按彈性分析的層間位移角：負(fù)一層1/3556＜1/550，負(fù)二層1/21324＜1/550，負(fù)三層1/4128＜1/550。結(jié)構(gòu)受力處于彈性階段，滿足規(guī)范要求。

（2）罕遇地震作用下地下二層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面按彈塑性分析的層間位移角：負(fù)一層1/618＜1/250，負(fù)二層1/1541＜1/250。結(jié)構(gòu)受力處于彈塑性階段，滿足規(guī)范要求。

地下三層車站標(biāo)準(zhǔn)斷面按彈塑性分析的層間位移角：負(fù)一層1/775＜1/250，負(fù)二層1/1 038＜1/250，負(fù)三層1/965＜1/250。滿足抗震性能要求。

在地震組合工況的作用下，絕對位移值相對大，相對位移值相對小[4]，可以滿足層間位移角的規(guī)范要求。

6 結(jié)論

6.1 多遇地震

1）結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值均＜1/550，車站結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，對地下結(jié)構(gòu)尺寸及配筋起控制作用的主要取決于靜力工況。但由于地質(zhì)條件等因素影響，構(gòu)件截面尺寸及配筋仍需按照正常使用階段和地震工況采取包絡(luò)設(shè)計。

2）柱滿足軸壓比限值要求，證明柱在多遇地震作用下有較好的延性。

6.2 罕遇地震

結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值均＜1/250，故車站結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下處于彈塑性工作階段，未出現(xiàn)整體或局部有倒塌的現(xiàn)象。

車站結(jié)構(gòu)總體滿足抗震設(shè)防性能要求，抗震設(shè)計的重點是加強構(gòu)造措施。