竖向地震动对大跨度高断面Y形柱地铁车站地震响应分析研究①

竖向地震动对大跨度高断面Y形柱地铁车站地震响应分析研究①

通信作者： 李积栋(1987-)，博士研究生，主要从事地下结构抗震方面的研究。E-mail:ljd0911@emails.bjut.edu.cn。

陶连金1， 李积栋1，2， 吴秉林1， 安军海1， 郭飞1

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124； 2.中国建筑总公司技术中心，北京 101300)

摘要：以北京地铁6号线新华大街站公共区Y型柱地铁车站为工程背景，利用 FLAC3D有限差分程序数值模拟分析，研究超浅埋大跨度、高断面、Y形柱地铁车站结构分别在仅输入水平向地震动和同时输入水平向与竖向地震动情况下的地震响应特性。结果表明：(1)与仅输入单向地震动相比，双向地震动耦合作用下车站各测点的峰值加速度和应力值均增大，而相对水平位移减小，且随着输入地震动强度的增加，竖向地震动影响率呈递减趋势；(2)双向地震动作用下，同一工况Y形柱叉支处各测点的竖向位移明显增大，且各测点的竖向位移值较为均匀，而单向水平地震动作用下各测点竖向位移差异较大；(3)与单向水平地震动相比，竖向地震动的输入对各测点间的水平方向地震动特性规律影响较小。

关键词：大跨度； 高断面； Y形柱； 竖向地震动； 地震动特性

收稿日期：①2014-08-20

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51038009)；国家自然科学基金面上项目(40972189)

作者简介：陶连金(1964-)，教授，主要从事岩土工程与地下工程方面的研究工作。E-mail：ljtao@bjut.edu.cn。

中图分类号:TU311.3； TU93+1文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0648

Influence of the Vertical Seismic Wave on the Seismic Response of an

Large-span High-section Y-shaped Column Subway Station

TAO Lian-jin1, LI Ji-dong1,2, WU Bing-lin1, AN Jun-hai1, GUO Fei1

(1.KeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineering,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,

Beijing100124,China; 2.ChinaNationalConstructionCorporationTechnologyCenter,Beijing101300,China)

Abstract：In this study, the Y-column subway station of the Xinhua Street Station in public areas of the Beijing Metro Line 6 was used as an engineering background to develop a numerical model with the FLAC3D finite difference program. The model was used to analyze and research the seismic response characteristics of the large-span high-section Y-shaped column subway station under only ground horizontal vibrations as well as under a combination of both horizontal and vertical seismic waves. The results showed that compared with inputting only one-way seismic waves, the peak acceleration and stress value of the station increased and the relative horizontal displacement decreased under the two-way seismic coupling. When the strength of the seismic wave input increased, the impact rate of vertical ground motion showed a decreasing trend. Under the combined action of the two-way seismic waves, the vertical displacement of the Y-shaped column fork branch was significantly increased under the same conditions and the vertical displacement of the measuring point was more uniform, whereas the vertical displacement of the measuring point in the one-way horizontal motions was quite different. Compared with the one-way horizontal motion, the vertical seismic wave input was less affected by the horizontal-direction vibration characteristics law among each measuring point.

Key words： large-span; high-section; Y-shaped column; vertical ground motion; ground motion characteristics

0引言

水平地震动是造成地下结构破坏的主要原因[1-3]。有人认为，在水平向地震动作用下底层发生水平振动，由于地层的不均匀性等因素，不同深度处的振幅不同，从而导致地下结构顶板与地板间产生相对水平位移，进而在结构中产生很大的弯矩和剪应力，致使结构破坏。但这种观点具有一定的局限性，结构的实际破坏形式并非典型的剪切破坏，而是与较大竖向地震动有关[4-5]。

强震数据表明，某些地震震中区的竖向地面运动分量与水平地面运动分量的大小具有相同的量级，甚至在个别情况下前者大于后者[6-7]。例如1979年Imperial Valley发生的6.4级地震，在距离断层1 km处的埃尔森特罗6号观测台测取的竖向最大加速度为1.74 g，是该处记录最大水平加速度的2.4倍。再如Meishin高速公路桥墩的破坏、Shinkansen隧道线桥墩的破坏、1995阪神地震多层建筑结构中间层的坍塌以及地下结构中柱的破坏等均与竖向地震动有关。竖向地震波由土层进入结构内部时，结构在竖向地震力作用下受到上下反复振动，结构上下发生相互冲击，致使结构中产生较大的拉应力，可导致钢筋混凝土拉伸破坏[8-9]。因此竖向地震动对结构破坏的影响不容忽视[10-13]。

历史地震调查显示高断面的地下结构对水平向地震动非常敏感，而大跨度地下结构对竖向地震动特别敏感，同时普遍认为中柱的破坏是导致整个地下结构破坏的主要原因，然而对于具有异形柱地下结构的抗震性能及地震响应规律的研究少之又少。因此对于大跨度、高断面、异形柱地下结构的抗震性能及地震响应规律的研究具有重大意义。

本文基于FLAC3D有限差分软件，以北京地铁6号线的新华大街站为研究对象，利用日本阪神地震波对大跨度、高断面、Y形柱地铁车站进行动力时程分析，探讨其在不同地震动条件下的抗震性能及地震动响应规律。

1三维数值模型

1.1模型建立

新华大街站为北京地铁6号线快慢线中转换乘站，周边为通州核心区重点开发地带，远期与S6线换乘，车站为双岛四线车站，采用明挖法施工，两端区间采用盾构法施工。车站公共区采用Y形柱受力体系，局部中板打开形成中庭效果；Y形柱上部采用铸钢形式，下部采用钢管形式，钢管及铸钢件内部采用C50微膨胀混凝土填充。车站顶板覆土厚度不足3 m，断面宽41.9 m、高19.4 m，柱高18.4 m，分叉跨度8.4 m；顶板厚1.0 m，底板厚1.6 m，边墙厚1.0 m；中柱直径为1.2 m，分叉处直径由1.1 m渐变到0.75 m。模型尺寸为200 m×60 m×50 m。车站结构周边网格加密，土体和车站结构均采用实体单元(图1)，参数详见表1、表2。同时为了便于分析Y形柱地铁车站地震动响应，在车站结构上布置了相应监测点，如图2所示。

图1　FLAC 3D计算模型 Fig.1　Computational model of FLAC 3D

图2　监测点布置图 Fig.2　Layout of monitoring points

编号名称厚度/m重度/(kN·m-3)泊松比压缩模量/MPa摩擦角/(°)黏聚力/kPa1人工填土516.50.35238102粉土319.540.3653432143粉质黏土319.900.372517264粉细砂1.520.200.34763205细中砂720.200.3381323406粉质黏土419.440.3379118317细中砂剩余20.200.33169330

表 2　结构参数

1.2模型动力参数

模型在静力计算结束后得到初始应力场，即可进行动力计算。在模型底部输入水平振动地震波，模型顶面采用自由面，底部采用由Lysmer和Kuhlemeyer提出的静态边界条件(即黏性边界、吸收边界)，同时模型周边采用自由场边界，使之产生与无限自由场地相同的效果，以达到吸收入射波的目的。

1.3地震波输入

选用日本阪神地震波进行动力分析。地震波加速度时程曲线和傅里叶谱值如图3所示。现将阪神地震波加速度峰值分别调至0.1 g(工况一)、0.2 g(工况二)、0.4 g(工况三)和0.6 g(工况四)作为水平向的输入加速度。四种工况分别采用单向水平地震动输入和水平向地震动与竖向地震动同时输入的方式，其中竖向地震动输入加速度峰值均为对应水平向加速度峰值的2/3。

图3　输入地震动加速度时程曲线及傅氏谱 Fig.3　Acceleration time-histories and Fourier 　　　 spectra of input ground motion

2动力分析

为了便于分析不同地震动条件下车站结构的地震动响应规律，现将双向地震动作用下与单向水平地震动作用下车站结构产生的地震动特性值的差值再除以后者所得的绝对值定义为竖向地震动影响率；将车站结构各部位与底板的水平位移差值定义为相对水平位移。

2.1位移分析

(1) 图4、图5分别为Y形柱顶端相对水平位移-时程曲线和车站边墙各测点相对水平位移。从图中可以看出，随着输入加速度强度的增大，各测点的相对水平位移依次增加，但各工况均在结构上部出现了最大相对水平位移；输入单向水平地震动时Y形柱顶端的水平位移略大于双向地震动输入情况，且随着输入加速度强度的增大，竖向地震动影响率越来越小。可能是由于在较大量级激振条件下，输入竖向地震动在一定程度增大了对结构的约束作用，进而制约了车站结构的相对水平运动，这也说明水平激励与竖向激励的耦合反而会对水平激励引起的相对水平位移起到一定的消弱作用。

(2)双向地震动作用下同一工况Y形柱叉支处各测点的竖向位移明显增大，且较为均匀，而单向水平地震动作用下各测点竖向位移差异较大。Y形柱叉支竖向位移，如图6所示。

2.2应力分析

仅输入单向水平地震动和同时输入水平向和竖向地震动条件下，车站结构各部位应力值如表3所示。计算数据表明：

(1) 输入双向地震动引起的最大应力值大于输入单向水平地震动引起的最大应力值，但前者与后者相比，竖向地震动并未较大程度上改变Y形柱车站结构应力大小分布情况，即车站结构抗震薄弱部位依旧是Y形柱叉支、Y形柱支撑柱两端、及边墙顶部与底部，其中Y形柱叉支处应力值最大。

表 3　车站各测点应力值

图4　相对水平位移-时程曲线 Fig.4　Relative horizontal displacement-time history curve

图5　边墙测点相对水平位移关系图 Fig.5　Relationship between relative horizontal displacement 　　　 in sidewall measurement points

图6　Y形柱叉支竖向位移 Fig.6　Vertical displacement of Y-shaped column 　　　 fork-branch

(2) 随着输入地震动强度的增加，车站结构同一部位的竖向地震动影响率依次降低。

(3) 输入相同强度的地震动，车站结构不同部位的竖向地震动影响率变化均较大，其中Y形柱中部与边墙中部的竖向影响率最大，Y形柱叉支与柱底端也较大。①前者竖向应力影响率较大的主要原因是水平单向地震动作用下产生的应力值与输入双向地震动相比基数较小，致使其竖向影响率较大，但两种情况下应力值均较小，并非抗震薄弱点，因此可不做太多考虑。②后者竖向影响率较大，是因为结构摆动所产生的弯矩主要由立柱来承担，在立柱两端产生较大弯矩，所以在两端产生较大的内力；同时竖向地震动作用下车站结构在侧向变形下产生附加弯矩，过大的侧向变形使结构产生了附加内力，加之Y形柱上端叉支存在一定角度，使其在竖地震动作用下产生更大的附加应力，也这是Y形柱叉支处应力值大于根部的主要原因。

2.3加速度分析

(1) 随着输入加速度强度的增加，各测点的加速度放大系数呈现递增趋势；双向地震动作用下加速度放大系数大于单向水平地震动输入情况，其中Y形柱加速度放大系数受竖向地震动影响最大倍数为1.23，发生在Y-Z7(柱底)，边墙为1.21，发生在Y-B4(边墙中下部)；双向地震动作用并未改变各测点间加速度放大系数间的大小关系(图7)。

图7　车站结构各测点峰值加速度 Fig.7　Peak acceleration of each measuring point at station

(2) 双向地震动作用下水平向加速度峰值大于单向水平地震动输入情况，且对于输入双向地震动情况而言，在加速度较大时间段会出现加速度值的剧增(图8)，在工况二5.2 s和工况三7.3 s附近均出现了加速度值剧增现象，这是竖向激励与水平激励的耦合对车站结构加速度值会产生较大影响。但竖向地震作用对车站结构各测点的自振周期影响很小，工况二与工况三在单向水平和双向地震动作用下的频谱曲线如图9所示。

图8　加速度时程曲线 Fig.8　Acceleration time history curves under different conditions

3结论

针对北京地铁6号线新华大街Y型柱地铁车站建立计算模型，运用FLAC3D有限差分程序进行动力时程分析，研究超浅埋大跨度、高断面、Y形柱双层地铁车站结构分别在仅输入水平向地震动和同时输入水平向与竖向地震动情况下的地震响应特性。由计算分析可以得出如下结论：

(1) 输入单向水平地震动时车站各测点的水平位移略大于双向地震动输入情况，且随着输入加速度强度的增大，竖向地震动影响率越来越小。可能是由于在较大量级激振条件下，输入竖向地震动在一定程度上增大了对结构的约束作用，进而制约了车站结构的相对水平运动，也说明水平激励与竖向激励的耦合反而会对水平激励引起的相对水平位移起到一定的消弱作用。

图9　车站结构傅氏谱 Fig.9　Fourier spectrum of station structure

(2) 双向地震动作用下，同一工况Y形柱叉支处各测点的竖向位移明显增大，且位移值较为均匀，而单向水平地震动作用下各测点竖向位移值差异较大。

(3) 输入双向地震动引起的最大应力值大于输入单向水平地震动引起的最大应力值，但前者与后者相比，竖向地震动并未较大程度上改变Y形柱车站结构应力值大小分布情况；随着输入地震动强度的增加，车站结构同一部位的竖向地震动影响率依次降低。

(4) 输入相同强度的地震动，车站结构不同部位的竖向地震动影响率变化较大；双向地震动作用下水平向加速度放大系数大于单向水平地震动输入情况，且对于输入双向地震动情况而言，在加速度较大时间段会出现加速度值的剧增；竖向地震作用对车站结构各测点的自振周期影响很小。

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