與管廊共構(gòu)的地鐵車站抗震計算與分析

陳鶴 劉力 耿耘

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082)

1 工程概述

北京地鐵7 號線東延在萬盛南街道路上共4座車站，在地鐵穩(wěn)定設(shè)計方案后，經(jīng)規(guī)劃部門提出沿萬盛南街隨軌道交通建設(shè)綜合管廊，管廊沿萬盛南街道路下敷設(shè)，與地鐵線路路由相同(圖1)。筆者已對地鐵車站與管廊共構(gòu)方案的選擇進行了多方案的比較研究[1]，地鐵車站原設(shè)計方案為地下兩層站，綜合比較確定地鐵車站與管廊共構(gòu)方案，地下一層為管廊層和預(yù)留地下開發(fā)空間，地下二、三層為地鐵站廳、站臺層(圖2)。

在云景東路站、小馬莊站和高樓金站處管廊與地鐵車站主體共構(gòu)。與主體共構(gòu)段長度約1070m，在地鐵區(qū)間隧道上方段長度約4270m。綜合管廊外頂平均覆土約3m，在地鐵區(qū)間范圍內(nèi)管廊與地鐵區(qū)間隧道豎向凈距大于5m，為沿線相交道路地下工程穿越預(yù)留一定條件。作為北京市首次采用明挖地鐵站與綜合管廊共構(gòu)設(shè)計，對地鐵車站單建和管廊與地鐵車站共構(gòu)抗震設(shè)計進行了對比分析。

圖1 7 號線東延與萬盛南街綜合管廊路由示意Fig .1 Sketchmap of the extension of Beijing subway line 7 and utility tunnel

圖2 管廊與地鐵結(jié)合斷面示意Fig .2 Cross section of the co-construction of subway station and utility tunnel

根據(jù)規(guī)范[1]要求，車站地震反應(yīng)計算分析時，抗震性能要求Ⅰ(E1 及E2 地震作用下)采用反應(yīng)位移法，抗震性能要求Ⅱ(E3 地震作用下)采用非線性時程分析法。并按規(guī)范[1]要求驗算結(jié)構(gòu)強度及變形。

2 結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)概況

2.1 高樓金站概況

高樓金站是地鐵7 號線東延的第七座車站，位于通州區(qū)群芳南街與規(guī)劃的頤瑞中路交叉口，沿群芳南街路下東西向布置。無地下管廊時車站為明挖地下雙層車站，覆土約3.5m。車站主體結(jié)構(gòu)公共區(qū)斷面如圖3所示。主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準段寬29.9m、高14.3m。

圖3 地鐵車站單建主體結(jié)構(gòu)斷面Fig.3 Cross section of the subway station

管廊與車站共構(gòu)為明挖地下三層結(jié)構(gòu)，車站主體結(jié)構(gòu)公共區(qū)斷面如圖4所示，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準段寬30.3m、高20.1m。地下一層為管廊層及預(yù)留地下開發(fā)空間，地下二、三層為車站站廳、站臺層。為滿足車站抗浮要求，邊樁頂部冠梁兼作壓頂梁抗浮，中柱下設(shè)抗拔樁抗浮。

圖4 地鐵與管廊共構(gòu)車站主體結(jié)構(gòu)斷面圖Fig .4 Cross section of the co-construction of subway station and utility tunnel

2.2 工程地質(zhì)概況

高樓金站范圍地層自上而下分別為人工堆積層、第四紀新近沉積層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層。土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

3 結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法計算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，進行地下車站結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)計算時，將周圍土體視為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)采用梁單元進行建模，見圖5。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Formation physical andmechanical property parameters

圖5 橫向地震反應(yīng)計算的反應(yīng)位移法Fig.5 Response displacement method for lateral seismic response calculation

反應(yīng)位移法計算中應(yīng)考慮土層相對位移、結(jié)構(gòu)慣性力及結(jié)構(gòu)與周圍土層剪力，其計算方法、公式及參數(shù)根據(jù)規(guī)范[2]確定。

1.荷載計算

(1)土層相對位移及土層位移引起作用于結(jié)構(gòu)的側(cè)向力

根據(jù)規(guī)范[2]，地震時深度z處土層的水平位移見表2、表3。

表2 單建兩層車站模型節(jié)點的水平位移Tab.2 Horizontal displacement of Two-storey stationmodel nodes

表3 共構(gòu)三層站模型節(jié)點的水平位移Tab.3 Horizontal displacement ofmodel nodes

(2)結(jié)構(gòu)水平慣性力

選取a=0.2g=2m/s2，代入相關(guān)公式，可得結(jié)構(gòu)水平慣性力。

(3)結(jié)構(gòu)與周圍土層間的剪切力

選取Gd=124.08MPa，H=70m，Tg=0.45s，Sa=0.2g=2m/s2，代入相關(guān)公式，可得結(jié)構(gòu)與周圍土層間的剪切力，見表4。

表4 結(jié)構(gòu)與周圍土層間的剪切力荷載標(biāo)準值Tab.4 Shear forces between the structure and surrounding soil

2.結(jié)構(gòu)強度及變形驗算

(1)變形驗算

抗震性能要求為I 時，即結(jié)構(gòu)E2 地震作用條件下，單建兩層站：站臺層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/695 ＜1/600，站廳層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/640 ＜1/600；管廊與地鐵共構(gòu)三層站：管廊層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/1433 ＜1/600，站廳層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/1230 ＜1/600，站臺層結(jié)構(gòu)彈性層間位移角為1/777 ＜1/600，均滿足規(guī)范要求。管廊與地鐵車站共構(gòu)，為滿足車站抗浮要求，邊樁為永久結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)置壓頂梁抗浮，在中跨柱下設(shè)抗拔樁抗浮，在地震工況下邊樁及中柱均參與結(jié)構(gòu)受力，改善了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對地震工況下結(jié)構(gòu)水平向變形有利。

(2)強度驗算

采用荷載結(jié)構(gòu)模型計算各工況下車站主體結(jié)構(gòu)各截面位置內(nèi)力，驗算結(jié)構(gòu)配筋，E2 地震作用條件下，兩層站、三層站地震作用不控制截面設(shè)計。

3.2 時程分析法

1.時程分析計算參數(shù)

根據(jù)地震安全性評價報告及規(guī)范[2]，本站場地設(shè)計地表地震動峰值加速度及峰值位移見表5。

表5 場地設(shè)計地表地震動峰值加速度及峰值位移Tab.5 Design peak acceleration and peak displacement of groundmotion on the site

地震輸入采用地震安全性評價部門提供的地震時程函數(shù)。根據(jù)抗震設(shè)計條件，計算采用50年超越概率為2%(重現(xiàn)期2475年，即為 E3 地震工況)的基巖加速度反應(yīng)譜和峰值加速度作為地震動時程合成的反應(yīng)譜和目標(biāo)峰值，合成土層地震反應(yīng)分析所需的基巖地震動時程，分別選取了加速度峰值為0.4g的三條地震加速度時程曲線 1～3，見圖6。

圖6 加速度時程Fig.6 Acceleration schedule

2.時程計算模型

根據(jù)車站柱網(wǎng)設(shè)置，選取連續(xù)最大兩柱三跨結(jié)構(gòu)進行建模計算。模型上邊界取至地表，下邊界至3 倍結(jié)構(gòu)高度，橫向取至3 倍結(jié)構(gòu)寬度，模型邊界按照粘彈性人工邊界，數(shù)值計算模型見圖7。根據(jù)地安評報告所提供的三個加速度時程數(shù)據(jù)，分別進行分析，選取最不利加速度時程進行驗算。

圖7 數(shù)值計算模型Fig.7 Numerical calculationmodel

根據(jù)巖土勘察報告，并考慮數(shù)值計算模型要求，將場地土層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)相似的土層進行合并，共合并成6 層土，見表6。

表6 場區(qū)地層動力學(xué)參數(shù)Tab.6 Formation dynamic parameters in field

結(jié)構(gòu)采用實體單元，模擬既有結(jié)構(gòu)，所用結(jié)構(gòu)參數(shù)見表7。

表7 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.7 Structure parameters

3.計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)水平方向位移、塑性區(qū)、層間相對位移計算結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 結(jié)構(gòu)沿X 軸(水平主向)最大位移(單位：m)Fig.8 Maximum displacement of the structure along the X-axis (horizontal principal direction)(unit：m)

圖9 E3 工況下結(jié)構(gòu)塑性區(qū)域Fig.9 Structuralmodeling area under E3 condition

4.結(jié)構(gòu)變形驗算

兩層站時，E3 地震作用條件下，站廳層層間位移角為1/342 ＜1/300，站臺層層間位移角為1/328 ＜1/300，均滿足規(guī)范要求。

管廊與地鐵車站共構(gòu)時，E3 地震作用條件下，管廊層層間位移角為1/687 ＜1/300，站臺層層間位移角為1/434 ＜1/300，站廳層層間位移角為1/511 ＜1/300，均滿足規(guī)范要求。

與E2 工況下相似，管廊與地鐵車站共構(gòu)，為滿足車站抗浮要求，邊樁及中柱下設(shè)抗拔樁抗浮，在地震工況下邊樁及中柱均參與結(jié)構(gòu)受力，改善了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對地震工況下結(jié)構(gòu)水平向變形有利。

4 結(jié)論

1.根據(jù)規(guī)范[2，3]，對兩層站和管廊與地鐵共構(gòu)三層站進行反應(yīng)位移法和時程分析法進行E2、E3 地震作用下車站抗震計算，其抗震性能應(yīng)均能達到I 級、II 級的相關(guān)要求。

2.管廊與地鐵車站共構(gòu)地下三層車站方案，相對單建地下兩層站方案，由于邊樁、抗拔樁參與結(jié)構(gòu)抗浮，同時參與結(jié)構(gòu)抗震，減小了地震工況下車站水平向?qū)娱g位移角，改善了車站抗震性能。

3.北京地區(qū)首次采用管廊與地鐵車站共構(gòu)方案，采取常規(guī)設(shè)計手段即可滿足車站結(jié)構(gòu)受力要求，在后續(xù)管廊與地鐵結(jié)合工程中可借鑒本工程經(jīng)驗采取管廊和車站共構(gòu)方案。