典型地铁车站结构的抗震设计研究

王月辉

摘 要：近年来，随着城市轨道交通建设的快速发展，国内外对地铁车站的抗震分析研究也越来越重视，但现行的抗震分析方法都存在不同程度的局限性，导致用不同方法计算得出的结果存在很大差异。本文基于大型通用有限元计算软件ABAQUS对济南市典型地铁车站结构地震动力响应进行了系统的数值模拟计算与分析。并与传统的抗震简化方法反应位移法和静力分析等计算结果比较，分析了典型地铁车站在在地震作用下的动力响应特征，并讨论了车站考虑地震工况时的配筋设计，为提高地下轨道交通建筑抗震设计水平、改进地铁车站建筑抗震设计方法提供了依据。

关键词：地铁车站结构；抗震设计

1工程概况

近年来，济南市加大了城市轨道交通的建设，根据最新的《济南市城市轨道交通建设规划（2016-2023）》，新一轮的地铁规划除结合第一轮建设规划对R2线一期进行调整外，还有8个新增项目，轨道交通远景线网共有9条线路构成。

根据现有地震安评报告显示：本车站工程场地大地构造位于鲁西断块，从公元408年-2014年12月，本区域范围内共记录到M≥4.7级地震41次，其中6-6.9级地震6次，7-7.9级地震一次，8级以上地震1次。区域范围内地震活动处于华北地区第四活跃期后期，未来100年仍有发生7级地震的可能。

与地上结构不同的是，地下结构由于受到周围土体的约束，其在地震作用下的破坏程度明显低于地上结构。但是1995年日本的阪神地震造成神户地铁车站及隧道工程严重破坏，这给当时的传统观念带来极大冲击。由此可见，开展地铁车站结构抗震性能研究的任务十分紧迫，不仅对济南市城市交通建设的开展有实际意义，对其他地区地下结构的抗震设计也有参考价值。

2土-结构相互作用数值计算模型

本文選取实际工程（济南市轨道交通）中典型地铁车站结构为研究对象，如图1所示结构横断面。本车站采用地下三层钢筋混凝土框架结构，框架结构梁、板、柱截面尺寸及材料参数见表1。车站高度22.20m，宽度25.69m，中柱沿车站纵向间距为9m。

车站覆土厚度2.82m。土层的选取范围，一般顶面取地表面，底面取等效基岩面，水平向自结构侧壁至边界的距离宜至少取结构水平有效宽度的3倍。本文土―结构相互作用模型的土层深度取70m，土层两边的水平边界距结构边取结构宽度的3倍。土层模型参数见表2。

最终的土―结构相互作用模型见图2。当地下车站结构沿纵向结构形式连续、规则、横向断面构造不变，周围土层沿纵向分布一致时，可只沿横向计算水平地震作用并进行抗震验算，抗震分析可近似按平面应变问题处。本文所建立的地铁车站模型简化为平面框架，土体采用二维减缩积分平面应变模拟，车站结构柱、板、梁均采用梁单元模拟。

为简化分析，车站结构与周围土体采用tie连接，地震时土层与结构假定不脱开。结构与土体均采用线弹性本构模型。模型底部边界输入地震动，计算模型侧向边界采用无限元模拟，具体实施步骤参考文献。平衡地应力采用ABAQUS命令*initial conditions，type=stress，input=FileName.inp，先平衡地应力再施加地震作用。最终的模型节点个数4190个，单元个数4016个。

3地震动选取

拟建场地基本抗震设防烈度按7度考虑，设计基本地震加速度值为0.1g，城市轨道交通的地下隧道抗震设防类别为重点设防类（乙类），本车站抗震等级为三级，并按二级采取抗震构造措施。关于设计地震动参数的选取，济南市地下车站基岩处地震加速度时程采用50年超越概率10%（峰值加速度0.089g）和50年超越概率2%（峰值加速度0.15g）两个概率水准的基岩水平向地震动加速度时程，每概率水准一组。地震动峰值加速度调整至PGA=0.1g，计算式地震波时程截取5-30s。详见图3、图4。

4数值计算结果及分析

有关研究表明，竖向地震作用对结构影响较小，故对车站断面只考虑水平方向地震波的影響。根据动力时程计算结果，分析车站结构位移和内力规律，限于篇幅，在此仅分析结构在一条地震动下的位移最大值、层间位移、结构的内力最大值以及车站标准断面的内力及层间位移。

4.1水平向地震作用结果

图5给出了结构模型和车站结构在地震作用下某一时刻的水平位移图，地震过程中模型整体沿水平方向发生了移动，数据处理后得到车站结构最大位移为138 mm。

4.2横断面层间位移

对车站结构标准横断面的位移值进行分析，获得层间位移差。水平向地震下横断面层间位移差见表3。其中地下一层、地下二层和地下三层的最大层间位移角分别为1/629、1/1055、1/1055。由此可见，在水平向地震作用下结构横断面层间位移差较小。计算层间位移角满足《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）中的抗震性能要求为Ⅱ时，矩形断面结构层间位移角1/250的要求。

4.3内力分析

图7给出了在水平向地震作用下，结构某一时刻的最大内力（弯矩、剪力、轴力）云图。计算结果显示，结构弯矩、轴力、剪力值均较小，其中弯矩最大值为1948 KN·m，轴力最大值为2184KN，剪力最大值为755KN。静力及水平向地震作用下中柱轴力见图7所示。由上图可知，中柱最大轴力为1182kN，中柱最大轴压比为1182x9x1000/21.1/700/1400=0.36<0.75。可知在地震组合下中柱柱轴压比均小于0.75，满足要求。

对于轨道交通地下结构的地震作用分析和计算常用的方法有地震系数法、反应位移法，时程分析方法等。地下结构宜按表4选用地震反应计算方法。本文用反应位移法作为对比，验证用动力时程法的分析结果。

反应位移法以一维土层地震反应计算为基础，认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土层的变形。将土层在地震时产生的最大变形通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构上，以此计算结构反应。其中，地基弹簧是为了考虑结构刚度与土层刚度的不同，定量表示两者相互作用时引入的单元。采用反应位移法进行地下结构横截面的抗震计算时，需考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力三种地震作用。限于篇幅，在此仅给出在相同的地震动作用下反应位移法计算结果，所用软件为AUTODESK ROBOT2013。详见图7所示。

典型车站反应位移分析结果显示，车站主体结构在地震工况下，轴压比=1.1*1030.98*9/（0.7*1.4*21.1）/1000=0.49，满足三级抗震要求。最大弹性层间位移比=（1.8-1.0）/728=1/910，满足规范要求。

最后，将时程分析法、反应位移法得到的结构内力值与结构静力分析结果列表对比，见表5。通过比较发现，反应位移法得到的内力值普遍大于时程分析法的结果，但是在对结构进行配筋设计时，静力分析结果起控制作用，说明用现行的静力分析手段进行车站结构设计是可行的 。但对车站结构上部局部建有建筑物或构筑物时或沿车站结构纵向土层分布有显著差异时；同时在平面和竖向两个方向结构变化较多或复杂时，静力分析结果可能偏于保守，仍需要用时程分析方法建立三维模型分析。

5结语

本文通过大型通用有限元软件ABAQUS，对济南市某典型地铁车站结构进行了动力响应数值计算与分析，并与反应位移法、静力分析结果进行了对比，完成了车站结构的设计。分析结果表明：

（1）对于沿纵向结构形式连续、规则、横向断面构造不变，周围土层沿纵向分布一致时的典型地铁车站，可近似按平面应变问题进行抗震验算，地震工况并不起控制作用，但对于车站结构或土层情况复杂的地铁车站，这种简化方法可能偏于保守，需建立车站结构的三维实体模型分析。

（2）反应位移法由于忽略了结构本身惯性力，将地下结构的地震响应归结于结构所在位置的地层变位，从而把地下结构所受的地震作用简化为拟静力，得到的結构内力普遍大于时程分析结果。

（3）对于沿纵向结构规则、土层变化不大的地铁车站结构设计，传统的不考虑地震作用的静力分析方法往往起控制作用，但对于结构形式复杂、土层沿纵向分布复杂的车站结构，仍需要建立三维时程分析模型与静力分析方法对比。

参考文献：

[1]濟南市城市轨道交通建设规划（2016-2023）.

[2]济南市轨道交通R3线一期工程场地地震安全性评价报告.

[3]地下铁道建筑结构抗震设计规范（DG/TJ08-2064-2009）.

[4]ABAQUS有限元分析实例详解.

[5]ABAQUS有限元分析常见问题解答.

[6]城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）.