地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析

王文君

中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308

地鐵車站通常建設(shè)在地下，地震作用對地鐵車站結(jié)構(gòu)的破壞性較大，因此必須積極采用抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，提升地鐵車站建設(shè)的抗震效果，為地鐵系統(tǒng)安全、有序施工進行打好設(shè)計基礎(chǔ)。

1 地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的意義

當(dāng)前，我國各城市地上交通運行壓力越來越大，為了解決城市人口與地面交通資源的矛盾，很多城市已經(jīng)開始積極進行地鐵系統(tǒng)建設(shè)，地鐵工程建設(shè)越來越多。地鐵車站是地鐵系統(tǒng)的重要部分，車站結(jié)構(gòu)空間較大，且人員疏通與保護結(jié)構(gòu)較多，又建設(shè)在城市地底，容易受到地震運動的影響，因此必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)及地震環(huán)境特點進行地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，不僅需做好前期地震作用下結(jié)構(gòu)位移的分析，還需做好地震環(huán)境下的人員疏散結(jié)構(gòu)設(shè)計，為地鐵車站的安全運營提供保證。

2 地鐵車站工程概述

徐州市地鐵6號線一期第11號車站為紫金路車站。該車站為6號線，具備與5號線換乘功能覆蓋。6號線與5號線車站在東北向西南設(shè)有聯(lián)絡(luò)線。6號線車站部分設(shè)置單渡線，為地下三層雙柱三跨地下箱形結(jié)構(gòu)，5號線車站部分為地下兩層雙柱三跨箱形結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)線圍合區(qū)域為兩層多跨地下箱形框架結(jié)構(gòu)，并設(shè)計有物業(yè)開發(fā)點。

3 地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

3.1 抗震位移分析

該車站位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)內(nèi)，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)防地震設(shè)計特征周期為0.4s，設(shè)防地震基本加速度為0.1g。根據(jù)抗震計算相關(guān)要求及《徐州軌道交通6號線一期工程工程場地地震安全性評價報告》，設(shè)防地震為50年超越概率10%，罕遇地震為50年超越概率2%。針對每種重現(xiàn)期地震，安評報告給出3組地震波，根據(jù)給出不同概率水平的地震動時程。采用GTS-NX有限元分析軟件，對車站抗震進行整體建模驗算和動力里程分析空間計算，采用黏彈性人工邊界，分析車站三維狀態(tài)下的抗震變形狀態(tài)。紫金路站結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)有限元分析模型如圖1所示。

圖1 紫金路站結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)有限元分析模型

在X方向地震波荷載作用下，車站結(jié)構(gòu)的最大位移為23.07mm，最大值出現(xiàn)在車站與聯(lián)絡(luò)線區(qū)域北側(cè)區(qū)域，換乘節(jié)點的最大位移約為12mm。在Y方向地震波荷載作用下，車站結(jié)構(gòu)的最大位移為25.9mm，最大值出現(xiàn)在5號線車刀把收口處，換乘節(jié)點的最大位移約為10.25mm，如圖2和3所示。

圖2 車站地震工況下結(jié)構(gòu)X向位移

圖3 車站地震工況下結(jié)構(gòu)Y向位移

通過有限元軟件分析，說明車站在水平向地震力作用下，車站的變形最大位置一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)平面發(fā)生變化或者收口位置（如車站刀把位置），因此在車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要針對性加強此類位置的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。

3.2 車站抗震構(gòu)造設(shè)計

從結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)來看，頂、底板支座和土巖分界面的受力較大，因此，該車站需采取抗震措施，以確保結(jié)構(gòu)，在地震作用下能夠具有足夠的抗震性能。同時，加大車站形變較大方向上豎向受力構(gòu)件（如混凝土墻、柱）的側(cè)向剛度，以減小地震對車站的影響。根據(jù)工程場地的地震地質(zhì)條件和車站結(jié)構(gòu)的形式、跨度布置特點，采取以下抗震措施。

（1）框架抗震遵守“強柱、弱梁、更強節(jié)點核心區(qū)”，嚴格控制中柱軸壓比(二級），保證中柱的延性。中柱縱向受力鋼筋的配筋率按不大于5%控制，鋼筋在同一截面內(nèi)的鋼筋接頭不宜超過全截面鋼筋總數(shù)的50%，在搭接接頭范圍內(nèi)，箍筋間距≤5d，且應(yīng)＜100mm。柱箍筋加密區(qū)的箍筋最大間距應(yīng)為8倍箍筋直徑與100mm中的最小值，箍筋最小直徑應(yīng)取8mm。

框架梁是框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的主要耗能構(gòu)件，為了對節(jié)點核心區(qū)提供約束以提高其受剪承載力，梁寬不應(yīng)小于柱寬的1/2，通過適當(dāng)加寬梁截面，降低梁截面的剪壓比。

（2）框架節(jié)點區(qū)處理處理：框架節(jié)點核芯區(qū)配箍特征值不宜＜0.10，且體積配箍率不宜＜0.5%。柱剪跨比不大于2的框架節(jié)點核芯區(qū)，體積配箍率不宜小于核芯區(qū)上、下柱端的較大體積配箍率。在框架中間層的中間節(jié)點處，框架梁的上部縱向鋼筋應(yīng)貫穿中間節(jié)點；框架柱的縱向鋼筋應(yīng)貫穿中間層中間節(jié)點和中間層端節(jié)點，柱縱筋接頭應(yīng)設(shè)在節(jié)點區(qū)以外。

3.3 地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化措施

在設(shè)計過程中，考慮到地鐵車站的穩(wěn)定性，在地鐵車站中加入抗震的相關(guān)設(shè)計。地下結(jié)構(gòu)在地震過程中因為受到土體的包裹約束所受到的地震沖擊相比地面結(jié)構(gòu)弱。但發(fā)生在日本的某次地震導(dǎo)致地下建筑受到較大損毀，給地鐵設(shè)計建設(shè)敲響了警鐘。為了防止地震破壞地鐵設(shè)施，提出將抗震結(jié)構(gòu)與地鐵車站主體結(jié)構(gòu)進行融合的設(shè)計思路，是在設(shè)計中需要重點解決的問題。因此，相關(guān)的設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)先對抗震結(jié)構(gòu)進行細致的了解和研究，才能將抗震結(jié)構(gòu)更好地融入車站設(shè)計中。

（1）堅持正確的設(shè)計原則。正確的設(shè)計原則是設(shè)計過程中的首要任務(wù)，首先應(yīng)當(dāng)遵循功能的合理化以及結(jié)構(gòu)的標準化。在進行抗震設(shè)計中，首先應(yīng)當(dāng)選擇合適的場地。因此，需要對地鐵施工沿線進行全面分析，如對工程地質(zhì)情況的分析等。在此基礎(chǔ)上，需選擇更加符合抗震設(shè)計要求的地鐵車站結(jié)構(gòu)。這是保證設(shè)計正確性原則的前提條件。然后，進行地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式的確定，需要進行合理性判斷，以保證地鐵車站設(shè)計的合理性和穩(wěn)定性。

（2）優(yōu)化具體設(shè)計。在對地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入抗震設(shè)計，其中設(shè)計優(yōu)化是保證地鐵車站最終效果的最有效的措施。為此，需要相關(guān)設(shè)計人員能夠通過設(shè)計過程中所涵蓋的內(nèi)容進行多角度和形式的研究分析，最終確定與抗震設(shè)計相關(guān)的設(shè)計思路。

具體的優(yōu)化設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇場地，首先設(shè)計預(yù)案應(yīng)當(dāng)通過對施工現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境進行勘查，避免建設(shè)施工時進入危險地段開展結(jié)構(gòu)施工。這是控制地鐵車站施工建設(shè)風(fēng)險的重要措施，是對地鐵公司經(jīng)濟效益的重要保障。

（3）優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，一般通過抗震結(jié)構(gòu)組成對整體建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)內(nèi)容的設(shè)計思路。該設(shè)計思路是較為傳統(tǒng)，在抗震結(jié)構(gòu)中的設(shè)計效果并不理想，導(dǎo)致建筑主體的抗震性能可能出現(xiàn)嚴重的問題。因此，應(yīng)當(dāng)在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對設(shè)計方案進行深入細致的研究。在抗震設(shè)計前，應(yīng)當(dāng)明確是否能夠?qū)拐鹚胶彤?dāng)?shù)氐目拐痤愋汀⒌燃夁M行確定。在此基礎(chǔ)上，有助于對地鐵車站進行科學(xué)合理的設(shè)計。

4 抗震設(shè)計效果分析

通過驗算以及模型分析可知，在當(dāng)前的抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)中施加地震波作用，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值均在1/550以下，因此可以判斷抗震設(shè)計下結(jié)構(gòu)的彈性效果符合抗震設(shè)計計算的要求，構(gòu)件截面及配筋的驗算結(jié)果滿足抗震設(shè)計計算要求，即整體抗震效果較好。在設(shè)防地震波動作用環(huán)境中，地鐵車站中柱軸壓比＜0.75，沒有超限現(xiàn)象，能夠達到地鐵車站運行的抗震要求。

5 結(jié)束語

總之，在地鐵車站建設(shè)中積極做好各環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計，是提升地鐵系統(tǒng)建設(shè)安全性的重要環(huán)節(jié)之一?？拐鹪O(shè)計是地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)重點考慮的因素，因此在具體設(shè)計工作中應(yīng)積極做好地鐵建設(shè)區(qū)域地震烈度分析以及抗震結(jié)構(gòu)強度設(shè)置，為優(yōu)化地鐵車站建設(shè)效果提供助力。