地震区砂卵石地层地铁车站不同荷载组合下主体结构内力比较

王志杰，何晟亚，鲜一丁，袁晔

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

地震区砂卵石地层地铁车站不同荷载组合下主体结构内力比较

王志杰，何晟亚，鲜一丁，袁晔

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

为了提高地震区砂卵石地层地铁车站主体结构的安全性，利用ANSYS数值模拟计算基本荷载组合、标准荷载组合、地震荷载组合以及人防荷载组合情况下的内力值。通过分析得出，不同荷载组合情况下的最大内力值均出现于侧墙与底板相交处;不同荷载组合所产生的最大内力值中人防荷载组合的最大，需要予以重视;地震荷载组合的内力是非对称的，所以车站主体结构的设计需要考虑地震荷载组合。

地震多发带 砂卵石地层 车站主体结构 数值模拟 荷载组合 人防荷载

地下结构的设计方法，大致可以分为荷载结构模型、地层结构模型、经验类比模型和收敛约束模型四类［1］。对于城市地铁车站，考虑到结构主要是被动地承受围岩松动带来的荷载，而且埋深较浅，可以确定结构上覆荷载、侧向荷载以及结构下部荷载，同时结构的支护刚度足够大，所以采用荷载结构模型来计算地铁车站主体结构的内力。

砂卵石地层透水性较强，且具有压实性好、抗剪强度高、不易液化等优势。在地震作用下，其地层稳定性仍是一个值得研究的问题。

现在地铁车站主体结构设计的荷载组合，分别是基本荷载组合、标准荷载组合和地震荷载。另外，由于其他国家在建造地铁的时候都会考虑到将其作为战争避难所，所以考虑人防荷载。通过全面分析四种荷载组合情况下的主体结构应力，得到何种荷载组合情况下出现最大内力值，并分析最大内力值出现的位置，这对地铁车站来说，都是值得研究的问题。

1 工程背景

某地铁车站处于地震多发带的砂卵石地层中，结构为两层双等跨单柱形式。由于地面上下环境条件的允许，所以采用明挖法施工。主体结构采用强度等级为C40的钢筋混凝土，保护层厚度为50 mm。车站主体结构底板埋深为16.29 m，顶板埋深为2 m，其结构每跨为9.05 m，负一层高度为4.9 m，负二层高度为6.35 m。抗震防设烈度为Ⅵ度，地震分组为第三组，地震动峰值加速度为0.10g，地震设计特征周期为0.45 s。具体的土层参数如表1所示，设计横断面简图如图1所示。

表1 土层参数

图1 地铁车站设计横断面示意

2 荷载组合计算

2.1 基本荷载组合与标准荷载组合

基本荷载组合与标准荷载组合是地铁车站主体结构荷载计算中的常规荷载组合方式。根据《工程结构可靠性设计统一标准》的规定进行相应的计算。其中基本荷载组合的计算公式为

式中:SGik为第i个永久作用标准值的效应;SP为预应力作用有关代表值的效应;SQ1k为第1个可变作用(主导可变作用)标准值的效应;SQjk为第j个可变作用标准值的效应;γGi为第i个永久作用的分项系数;γP为预应力作用的分项系数;γQ1为第1个可变作用(主导可变作用)的分项系数;γL1，γLj为第1个和第j个考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，对设计使用年限与设计基准期相同的结构，应取γL=1，房屋建筑的设计使用年限为100年时应取该系数为1.1。γQj为第j个可变作用的分项系数;ψcj为第j个可变作用的组合值系数。

而标准荷载组合的计算公式为

式中:Gik为第i个永久作用的标准值;P为预应力作用的有关代表值;Q1k为第1个可变作用(主导可变作用)的标准值;Qjk为第j个可变作用的标准值;其余符号与上述公式中符号指代相同。

由以上公式可以计算出基本荷载组合和标准荷载组合，见表2。

2.2 地震荷载组合

按铁路隧道结构地震作用分析方法计算本车站主体结构地震荷载组合。其中相关设计计算运用的是拟静力法［2-3］，其公式如下

顶板处的地震均布水平荷载

侧墙处的地震均布水平荷载

中板均布荷载，其中人群荷载q人群和设备荷载q设备，取值分别为4 kPa和8 kPa。

各板处的地震水平集中荷载

式中:η为水平地震作用修正系数，非岩石地基取值0.25;m顶板为顶板质量;m侧墙为侧墙质量;Ag为地震动峰值加速度;B为车站主体结构宽度;H为车站主体结构高度;mi为各板质量。

等效静力法计算地震作用，其地震主动土压力由两部分组成，分别是地震状态下的主动土压力增量以及主动土压力。

地震状态下的主动土压力增量计算公式

式中:φE为地震动修正后土的内摩擦角;φ为土的内摩擦角;θ为地震角;λE为地震主动土压力系数;γE为修正后土的重度;γ为计算点以上土的加权平均天然重度;ei为地震主动土压力增量;λ为自然状态下主动土压力系数;hi为土层厚度。

由以上公式可以计算出地震荷载组合，见表3。地震状态下，主动土压力增量计算参数见表4。

表3 主体结构的地震荷载组合情况

表4 主动土压力增量计算参数

2.3 人防荷载组合

考虑到核武器爆炸动荷载作用下产生的人防荷载，由于顶板埋深为2 m，在不考虑任何系数的情况下，采用最大的人防荷载，假定顶板处人防荷载为70 kPa;底板处人防荷载为55 kPa;侧墙处的人防荷载为50 kPa［4-5］。

3 数值模拟分析

3.1 ANSYS数值模型

本车站主体结构的数值模拟利用的是ANSYS，采用荷载结构模型的方式进行计算。利用弹簧来代替地基对结构所产生的地基反力。由于此模型结构与荷载是正对称，所以中柱在计算中不存在水平位移，故在此处底端添加水平方向的约束，使该点的水平位移为0。经过建模后，本模型单元数为134，网格节点数为114，具体模型见图2。

3.2 结果分析

地铁车站在基本荷载组合、标准荷载组合、地震荷载组合以及人防荷载组合情况下的主体结构弯矩如图3所示。最大弯矩的单元、最大弯矩值以及荷载组合情况见表5。最大剪力的单元、最大剪力值以及荷载组合情况见表6。最大轴力的单元、最大轴力值以及荷载组合情况见表7。可见除地震荷载组合外，基本荷载组合、标准荷载组合以及人防荷载组合的弯矩图、轴力图都是正对称图形，而剪力图为反对称图形，这种情况与理论相符。

图2 车站主体结构模型

图3 不同荷载组合下的主体结构弯矩(单位:N·m)

表5 不同荷载组合情况下的最大弯矩值kN·m

表6 不同荷载组合情况下的最大剪力值kN

表7 不同荷载组合情况下的最大轴力值kN

4 比较分析

通过ANSYS数值模拟得到了在地震多发带砂卵石地层的车站主体结构的弯矩、剪力和轴力情况。除了地震荷载组合外，其他荷载组合下的弯矩、轴力都具有正对称性，剪力具有反对称性。由于地震荷载组合的非对称性，导致其弯矩、轴力和剪力的非对称性，所以地震荷载需要考虑到设计中。

根据表5，地震荷载组合下最大的弯矩值小于基本荷载组合的最大弯矩值。人防荷载组合的最大弯矩值大于其余任意一个荷载组合情况下的最大弯矩值，所以人防荷载下的弯矩需要考虑到主体结构设计中。

根据表6，各个荷载组合情况下，剪力的最大值发生于人防荷载组合下。其比基本荷载组合情况下的剪力最大值大了13%，在工程中不可忽视，需要在设计配筋中考虑到人防荷载。地震荷载组合情况下的剪力最大值与标准荷载组合下的剪力最大值相比较，小了5%，在工程中可以忽略。

根据表7，各种荷载组合情况下的轴力最大值均在中柱的最低端处。同时人防荷载组合的轴力最大值远较其它组合大，在地铁车站设计中，不可忽视。

5 结语

在地震区卵石地层中，地下结构较为稳定。地震荷载组合对于结构的正常使用情况没有影响，与其余的荷载组合相比较，数值上没有太大的差别，但是由于地震荷载组合所产生的内力是非对称的，所以在设计中需要考虑。对于人防荷载，其内力值均是最大的，可见核爆炸所产生的动荷载对地下结构的影响非常大，所以在地铁车站设计的同时，需要考虑日后战争的需要，将人防荷载作为考虑的因素。

［1］宋玉香，贾晓云，朱永全．地铁隧道竖向土压力荷载的计算研究［J］．岩土力学，2007，28(10):2240-2244．

［2］边金，陶连金，张印涛，等．地下结构抗震设计方法的比较与分析［J］．现代隧道技术，2008，45(6):50-55．

［3］刘如山，胡少卿，石宏彬．地下结构抗震计算中拟静力法的地震荷载施加方法研究［J］．岩土工程学报，2007，29(2): 237-242．

［4］袁正如，程立国．高层建筑防空地下室的人防荷载估算［J］．地下空间，1996(16):149-152．

［5］刘如山，石宏彬．地下结构横切面抗震计算中拟静力计算方法的研究［J］．工程抗震与加固改造，2005，27(增):148-154．

Comparison of internal forces in main structure of metro station buried in sand gravel stratum at earthquake zone subjected to different combination of loads

WANG Zhijie，HE Shengya，XIAN Yiding，YUAN Ye
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

In order to improve the main structure safety of the metro station in sand gravel stratum of earthquake zone，the internal force values of basic load combination，standard load combination，seismic load combination and civil defence load combination are calculated by numerical simulation with ANSYS．T he analyzing results showed that each maximum internal force value of different load combination appears in the intersection between side wall and floor，the internal force value of civil defence load combination is the maximum of all，which should be paid more attention，the internal force of the seismic load combination is asymmetry，which means seismic load combination should be considered in station main structure design．

Earthquake zone;Sand gravel stratum;Station main structure;Numerical simulation;Load combination; Civil defence load

TU93+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．17

1003-1995(2015)04-0062-04

(责任审编孟庆伶)

2014-05-19;

2014-09-16

中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964—)，男，山西万荣人，教授，硕士。