探析地表建筑对地下车站结构地震响应的影响
2014-08-27卢子牛
卢子牛
（武汉大学基建管理部 湖北 武汉 430072）
【摘 要】 地下车站大部分都处在繁华地段，地表建筑多种多样，所以地下车站在建设和运行阶段都应该考虑地表建筑对车站的影响。实际预测过程中，应该将地表建筑和地下车站看作一个统一的系统进行分析，采用有限元的方法研究地表建筑对地下车站地震反映的影响。
【关键词】 地表建筑；地下车站；有限元；影响分析
Analysis of the impact of the construction of surface seismic response of underground stations
Lu Zi-niu
(Wuhan University, Department of Infrastructure Management Wuhan Hubei 430072)
【Abstract】 Most underground stations are in the downtown area, a variety of surface buildings, so the underground station construction and operation phase should consider the impact of the building on the ground station. The actual prediction process, should be ground buildings and underground stations as a unified system for analysis, the impact of using the finite element method to study the construction of underground stations seismic surface reflects.
【Key words】 Finite element;Underground stations;Surface construction impact analysis
1. 前言
地震中地表建筑会对周围地基产生扰动，同时会对周围地下结构产生影响，所以构建地表建筑——地下车站一体化的结构模型具有现实意义。在谐波作用下，地表建筑会将的地震中某些特定的波进行放大，进而对地下建筑结构产生较大的扰动，地下建筑结构的变化又会反馈给地表建筑，最终产生的影响十分严重 ［1］。笔者根据多年的工作经验，采用有限元分析方法，结合某地下车站，首先对地表建筑——地下车站模型进行了分析，然后采用ABAQUS软件进行仿真，对结果进行了分析比较，最后根据具体实际情况，对地表建筑对地下车站结构的影响进行了分析，具有一定实际意义和现实价值。
2. 地表建筑——地下车站模型
2.1 某地下车站横剖面采用两层三柱三跨式钢筋混凝土闭合框架结构，地下车站总宽高为21200mm×12020mm，车站结构主体采用混凝土的等级为C40，其中车站具体结构图如图1所示。
2.2 通过对地下车站结构进行分析，上部结构基础为筏板，地下车站和周围土体之间的摩擦接触系数按照准许弹性滑动罚接触算法进行计算，并且定义法向接触为硬性接触，准许筏板穿入上层土体。其中摩擦系数为0.32。按照以上分析可以将地下车站具象化模型如图2所示。
2.3 如图2所示，饱和软土Gb和rb之间具有双曲线关系，其中土体卸载应力应变关系可以归纳总结为以下公式：
τ= τc+Gmax (γ-γc)［1-H(1 n｜γ-γc｜)］ 〖FH〗（1）
其中Tc、rc分别表示卸载装这点应力和应变参数，H是描述应力-应变关系基本函数，Gmax是初始化的切线模型，n取值为1或者2 ，对应初始加载和卸载。
3. 模拟结果计算和分析
3.1 地震动输入。
工程中采用场地50年基准期超越概率15%的人工波和El-Centro波作为地震动输入。采用ABAQUS软件的umat接口真个系统进行仿真，主要使用过采用有限单元方法模拟场地吸收地震波的情况。试验结果如图3所示。
3.2 相对位移反映。
（1）通过对地震动输入的模拟和分析，地下车站的水平位移如图4所示。
（2）如图4所示地下车站的相对水平位移是随机的，地表无建筑成为工况1 ，地表存在建筑的时候被称为工况2，所以工况1 的情况下，车站结构相对位移的峰值为6.6mm，但是当地表存在建筑物的时候，车站相对位移峰值为8.6mm，峰值相对位移增加了2.0mm，可见地表建筑对车站相对位移是有影响的 ［2］。
3.3 动内力反映。
地下车站某些检测单元在水平方向上面应力比竖直方向上的应力大，但是有些检测单元在数值正应力比水平正应力大。由于地下车站结构采用实体单元，所以无法检测到车站内部内力，所以采用平面单元模拟地下车站可以有效得出地下车站的轴向力、剪力和弯矩。地表无建筑物的时候整个体系结构呈现对称性，聚义表现为以车站中心轴为界经过简单的计算可以得出相对称处的侧墙轴力、剪力和弯矩大致相仿。但是在地表有建筑物的时候，整个体系结构就不再是对称的，结构内力也不再对称，具体体现就是在相对应的剪力、轴力和弯矩会有部分增大，靠近地表建筑的地下结构比远离建筑地下结构的位移更大。纵观整体地下车站结构，楼板处动内力反映峰值相对于侧墙的动内力峰值较小，但是这些不同时不容忽视的。
4. 影响因素分析
地表建筑对地下车站结构地震影响包含诸多复杂的因素，比如建筑本身特性，地震频波特性、土体非线性情况，以及地表空间和地标建筑的尺度和规模。本文由于篇幅的限制主要讲述了建筑自振周期、相对位置变化、建筑埋深、建筑跨距、地震波形等因素的影响。
4.1 建筑自振周期因素的影响。
（1）为了分析比较建筑自振周期对地下车站的影响，采用两栋不同层数的建筑试验，其中建筑物的高度分别为：6层和12层，建筑层高为3.6m，三跨层平均间距为6.4m。建筑物梁结构界面尺寸为400mm×600mm，柱子截面为800mm×800mm，建筑模型的确定采用上述方法，经过必要的分析和计算能够准确分析车站相对位移和动内力相应变化 ［3］。地下车站墙体动内力峰值如表1所示。
表1 地下车站墙体动内力峰值表
部件名称 内力 工况1 工况2 工况3
El-Centro波 M 218.6 303.07
38.6 303.438.67Q 166.2 222.43
33.66 215.6829.6
N 200 316.758.40 338.6869.34
表2 地下车站结构构件动内力峰值表
部件名称 内力 工况1 工况2 工况3
El-Centro波
M 218.7 303.07
38.6 288.1
31.6
Q 166.4 222.43
33.66 220.2
32.3
N 200 316.7
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58.40 285.4
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（2）如表1所示，地下车站内部构件动内力和无地表建筑工况会有不同程度的增加，但是当建筑物层数增加到一定层数的时候，内动力范围会有所减小。综合上述，在一定范围内，建筑层数增加其内动力会有所增加，但是到了某个转折点，建筑层数的增加将不会影响地下车站结构。可见当地标建筑自振周期和地震波特征周期相近的时候影响相对较大。
4.2 建筑相对位置因素的影响。
（1）地表相邻建筑之间的相对位置采用净距离来描述，具体到本工程是邻近建筑物柱体和地下车站之间的水平距离。将无地表建筑的情况定为工况1 ，地表有建筑物，净距离为5m的情况定义为工况2 ，地表有建筑物，净距离为10m的情况定义为工况3，地下车站结构构件动内力峰值一览表如表2所示。
（2）从表2可以看出，地标建筑和地下车站净距离增加，侧墙内动力逐渐减小，换句话说也就是建筑净距离越大，对地下车站结构动力影响越小。
4.3 建筑埋深因素的影响
建筑埋深地下的深对地下车站结构的影响是十分明显的，通常情况下，钱买隧道受到地震影响的风向要高于深埋建筑。本文以埋深5.0m、15.0m、20.0m、25.0m为例考察了埋深因素的影响。经过实际测试可以发现建筑框架4个角点的位移基本一致。建筑埋深增加会导致建筑结构各项指标相应降低，所以适当的建筑埋深能够有效降低地震影响。埋深深度达到15.0m的时候，结构相应大小处于同一等级。埋深达到20.0m范围之内的时候，建筑物结构响应降低，如果埋深深度达到30.0m以上的时候，地震对建筑结构的影响可以忽略不计。
4.4 建筑跨距因素的影响
建筑跨距能够影响建筑结构承载能力，特别是在静力负荷作用下，设计人员为了取得最大的建筑空间会扩大建筑空间，但是随着跨距的不断增加，柱承担的有效负载会增加，造成建筑结构不安全的情况。所以在实际工程中，建筑设计人员可以通过改变柱形式，比如采用双柱取代单柱，来增加柱子之间跨距。经过测试对比结果可以发现建筑结构跨距影响建筑结构内在动力，柱内剪力和顶板内弯矩都有所增加。地震波的作用主要是侧向负荷，轴力增加不明显，增加柱间跨距对整体地下车站位移、速度和加速度的影响是微不足道的。概括来说，跨距大小虽然对车站结构的动力响应没有明显的直接影响。但是，随着跨距的增加，结构内力显著增大。如果考虑竖向地震荷载作用，有可能产生危险内力。
4.5 地震波因素的影响
地震波作为多种谐波的叠加，不同地震波的振幅、频率也是各不相同的，才外地震波在传播过程中会出现反射和折射现象，所以地表建筑在不同地震波影响下对地下车站的影响也有所差异。地震波输入不同对地下车站结构动力响应也是不同的。因此实际设计过程中，为确保分析结果的合理性和准确性，合理选择输入地震波是十分必要的。
5. 结语
本文构建了地表建筑——地下车站一体化的模型，并且通过相关软件验证得出地表建筑对地下车站的影响，当地表存在建筑的时候，地下车站对会在地震波的作用下发生相对位移。地表没有建筑物的时候，系统模型呈现对称型，结构动内力也呈对称特点。当地表存在建筑的时候，地下车站左右两侧动内力是不相同，靠近建筑物的车站结构幅度增加更为明显。如果建筑本身自振频率和地震波频率相似，那么地下车站受到的影响将会十分明显。
参考文献
［1］ 何伟，陈建云，于品卿.地下结构开发对场地地表反映谱影响研究［J］.地下空间与工程学报，2010.5(6):1098～1102.
［2］ 杨林德.上海市地铁区间隧道和车站的地震灾害与防治对策研究［R］.上海:同济大学上海防灾救灾研究所，2009(12):29～30.
［3］ 王国波.软土地铁车站结构三维地震响应计算理论与方法的研究［D］.上海:同济大学，2012.6(2):11～12.
［文章编号］1619-2737（2014）06-12-831
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（2）如表1所示，地下车站内部构件动内力和无地表建筑工况会有不同程度的增加，但是当建筑物层数增加到一定层数的时候，内动力范围会有所减小。综合上述，在一定范围内，建筑层数增加其内动力会有所增加，但是到了某个转折点，建筑层数的增加将不会影响地下车站结构。可见当地标建筑自振周期和地震波特征周期相近的时候影响相对较大。
4.2 建筑相对位置因素的影响。
（1）地表相邻建筑之间的相对位置采用净距离来描述，具体到本工程是邻近建筑物柱体和地下车站之间的水平距离。将无地表建筑的情况定为工况1 ，地表有建筑物，净距离为5m的情况定义为工况2 ，地表有建筑物，净距离为10m的情况定义为工况3，地下车站结构构件动内力峰值一览表如表2所示。
（2）从表2可以看出，地标建筑和地下车站净距离增加，侧墙内动力逐渐减小，换句话说也就是建筑净距离越大，对地下车站结构动力影响越小。
4.3 建筑埋深因素的影响
建筑埋深地下的深对地下车站结构的影响是十分明显的，通常情况下，钱买隧道受到地震影响的风向要高于深埋建筑。本文以埋深5.0m、15.0m、20.0m、25.0m为例考察了埋深因素的影响。经过实际测试可以发现建筑框架4个角点的位移基本一致。建筑埋深增加会导致建筑结构各项指标相应降低，所以适当的建筑埋深能够有效降低地震影响。埋深深度达到15.0m的时候，结构相应大小处于同一等级。埋深达到20.0m范围之内的时候，建筑物结构响应降低，如果埋深深度达到30.0m以上的时候，地震对建筑结构的影响可以忽略不计。
4.4 建筑跨距因素的影响
建筑跨距能够影响建筑结构承载能力，特别是在静力负荷作用下，设计人员为了取得最大的建筑空间会扩大建筑空间，但是随着跨距的不断增加，柱承担的有效负载会增加，造成建筑结构不安全的情况。所以在实际工程中，建筑设计人员可以通过改变柱形式，比如采用双柱取代单柱，来增加柱子之间跨距。经过测试对比结果可以发现建筑结构跨距影响建筑结构内在动力，柱内剪力和顶板内弯矩都有所增加。地震波的作用主要是侧向负荷，轴力增加不明显，增加柱间跨距对整体地下车站位移、速度和加速度的影响是微不足道的。概括来说，跨距大小虽然对车站结构的动力响应没有明显的直接影响。但是，随着跨距的增加，结构内力显著增大。如果考虑竖向地震荷载作用，有可能产生危险内力。
4.5 地震波因素的影响
地震波作为多种谐波的叠加，不同地震波的振幅、频率也是各不相同的，才外地震波在传播过程中会出现反射和折射现象，所以地表建筑在不同地震波影响下对地下车站的影响也有所差异。地震波输入不同对地下车站结构动力响应也是不同的。因此实际设计过程中，为确保分析结果的合理性和准确性，合理选择输入地震波是十分必要的。
5. 结语
本文构建了地表建筑——地下车站一体化的模型，并且通过相关软件验证得出地表建筑对地下车站的影响，当地表存在建筑的时候，地下车站对会在地震波的作用下发生相对位移。地表没有建筑物的时候，系统模型呈现对称型，结构动内力也呈对称特点。当地表存在建筑的时候，地下车站左右两侧动内力是不相同，靠近建筑物的车站结构幅度增加更为明显。如果建筑本身自振频率和地震波频率相似，那么地下车站受到的影响将会十分明显。
参考文献
［1］ 何伟，陈建云，于品卿.地下结构开发对场地地表反映谱影响研究［J］.地下空间与工程学报，2010.5(6):1098～1102.
［2］ 杨林德.上海市地铁区间隧道和车站的地震灾害与防治对策研究［R］.上海:同济大学上海防灾救灾研究所，2009(12):29～30.
［3］ 王国波.软土地铁车站结构三维地震响应计算理论与方法的研究［D］.上海:同济大学，2012.6(2):11～12.
［文章编号］1619-2737（2014）06-12-831
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（2）如表1所示，地下车站内部构件动内力和无地表建筑工况会有不同程度的增加，但是当建筑物层数增加到一定层数的时候，内动力范围会有所减小。综合上述，在一定范围内，建筑层数增加其内动力会有所增加，但是到了某个转折点，建筑层数的增加将不会影响地下车站结构。可见当地标建筑自振周期和地震波特征周期相近的时候影响相对较大。
4.2 建筑相对位置因素的影响。
（1）地表相邻建筑之间的相对位置采用净距离来描述，具体到本工程是邻近建筑物柱体和地下车站之间的水平距离。将无地表建筑的情况定为工况1 ，地表有建筑物，净距离为5m的情况定义为工况2 ，地表有建筑物，净距离为10m的情况定义为工况3，地下车站结构构件动内力峰值一览表如表2所示。
（2）从表2可以看出，地标建筑和地下车站净距离增加，侧墙内动力逐渐减小，换句话说也就是建筑净距离越大，对地下车站结构动力影响越小。
4.3 建筑埋深因素的影响
建筑埋深地下的深对地下车站结构的影响是十分明显的，通常情况下，钱买隧道受到地震影响的风向要高于深埋建筑。本文以埋深5.0m、15.0m、20.0m、25.0m为例考察了埋深因素的影响。经过实际测试可以发现建筑框架4个角点的位移基本一致。建筑埋深增加会导致建筑结构各项指标相应降低，所以适当的建筑埋深能够有效降低地震影响。埋深深度达到15.0m的时候，结构相应大小处于同一等级。埋深达到20.0m范围之内的时候，建筑物结构响应降低，如果埋深深度达到30.0m以上的时候，地震对建筑结构的影响可以忽略不计。
4.4 建筑跨距因素的影响
建筑跨距能够影响建筑结构承载能力，特别是在静力负荷作用下，设计人员为了取得最大的建筑空间会扩大建筑空间，但是随着跨距的不断增加，柱承担的有效负载会增加，造成建筑结构不安全的情况。所以在实际工程中，建筑设计人员可以通过改变柱形式，比如采用双柱取代单柱，来增加柱子之间跨距。经过测试对比结果可以发现建筑结构跨距影响建筑结构内在动力，柱内剪力和顶板内弯矩都有所增加。地震波的作用主要是侧向负荷，轴力增加不明显，增加柱间跨距对整体地下车站位移、速度和加速度的影响是微不足道的。概括来说，跨距大小虽然对车站结构的动力响应没有明显的直接影响。但是，随着跨距的增加，结构内力显著增大。如果考虑竖向地震荷载作用，有可能产生危险内力。
4.5 地震波因素的影响
地震波作为多种谐波的叠加，不同地震波的振幅、频率也是各不相同的，才外地震波在传播过程中会出现反射和折射现象，所以地表建筑在不同地震波影响下对地下车站的影响也有所差异。地震波输入不同对地下车站结构动力响应也是不同的。因此实际设计过程中，为确保分析结果的合理性和准确性，合理选择输入地震波是十分必要的。
5. 结语
本文构建了地表建筑——地下车站一体化的模型，并且通过相关软件验证得出地表建筑对地下车站的影响，当地表存在建筑的时候，地下车站对会在地震波的作用下发生相对位移。地表没有建筑物的时候，系统模型呈现对称型，结构动内力也呈对称特点。当地表存在建筑的时候，地下车站左右两侧动内力是不相同，靠近建筑物的车站结构幅度增加更为明显。如果建筑本身自振频率和地震波频率相似，那么地下车站受到的影响将会十分明显。
参考文献
［1］ 何伟，陈建云，于品卿.地下结构开发对场地地表反映谱影响研究［J］.地下空间与工程学报，2010.5(6):1098～1102.
［2］ 杨林德.上海市地铁区间隧道和车站的地震灾害与防治对策研究［R］.上海:同济大学上海防灾救灾研究所，2009(12):29～30.
［3］ 王国波.软土地铁车站结构三维地震响应计算理论与方法的研究［D］.上海:同济大学，2012.6(2):11～12.
［文章编号］1619-2737（2014）06-12-831
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