基于大连市西安路地铁车站结构的动力响应数值分析

肖 锦 林琰文 崔 瑶

大连理工大学近海岸国家重点实验室

基于大连市西安路地铁车站结构的动力响应数值分析

肖 锦 林琰文 崔 瑶

大连理工大学近海岸国家重点实验室

随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现,地下结构抗震问题日益受到世界各国地震工作者的重视。但是我国在地下结构抗震方面的研究相对滞后,至今还没有完善的地下结构抗震分析方法。本文以大连市西安路地铁车站为重点研究对象，采用有限元软件ABAQUS建立地铁车站模型并进行数值模拟，分析所得到的动力响应结果，总结一般性的地震规律从而对地铁车站的抗震措施提出一些适当建议。

地铁车站结构；地震响应；有限元分析

1 引言

本项目以西安路地铁车站为工程背景，采用数值模拟的方法进行研究。根据西安路车站结构图和地质图，针对车站结构的地震反应特性，结构和土体的相互作用情况，借助软件ABAQUS进行数值模拟，探究西安路车站的地震反应规律。

2 实施过程

本项目以西安路地铁车站为模型。为计算方便，在不改变主要受力构件等条件下，对该断面图进行了一定的简化。大连地铁西安车站为钢筋混凝土结构,模型中车站采用混凝土损伤塑性模型，周围采用土质模型。

在模型底部区域水平向输入地震波EI-Centro波。固定边界时对应输入加速度时程；粘性边界与粘弹性边界对应输入速度时程或应力时程，这是根据目前基本形成共识的已有理论基础确定的参数输入方案。因此输入EI-Centro波的加速度时程，所输入的加速度峰值为0.3g。

本次计算对边界条件的设置采取位移边界，在模型左右两侧设置水平位移约束，在模型底部设置竖向位移约束。加速度时程作为地震动时程在模型底边界水平向输入。共设置3个监测点：车站底部点(N1)、车站中柱点(N2)、车站顶部点(N3)。分别检测每个点的加速度时程曲线和位移时程曲线。3个监测点的位置参数详见表1。

表1 监测点坐标

3 数据分析

3.1 应力响应云图分析

通过对结构应力云图的分析,不仅可以对其损伤发展情况进行评估，还可以发现车站结构的损伤部位。从地铁车站的Mises应力云图可见:

（1）车站的底板、侧墙、中柱以及侧墙与顶板的交接处的Mises应力明显大于其他部位，其中，侧墙和底板的Mises应力明显较大。

（2）车站上层结构的应力反应小于下层结构的应力反应,这主要是因为车站下层结构侧向刚度较大而承担了较多的水平地震荷载作用。

3.2 水平加速度响应分析

通过对0.3g峰值加速度地震动下，车站横截面上三个监测点N1、N2、N3的加速度时程曲线分析可知：

（1）车站底部点N1、中柱点N2以及车站顶部点N3的土体加速度时程曲线的形状基本一致;

（2）底部点N1的地震加速度峰值比中柱点N2及顶部点N3的加速度峰值要大,其中中柱处加速度最小。

3.3 水平位移响应分析

对地铁地下车站结构进行动力响应抗震分析时,车站结构的横截面均发生一定的变形,发生的变形也不尽相同,从车站主体结构的变形图中,可以发现:地铁地下车站结构中板、柱、底板均发生了较严重的变形,中柱扭曲成S型(实际情况下,可能被剪断)。因此地铁车站的中柱和底板应为重点加固对象。

（1）在地震动作用下，车站底部、顶部以及中柱的位移响应基本一致，均在12s处出现峰值；

（2）在位移响应曲线峰值附近，三个点的位移差异最为明显。

3.4 相对水平位移响应分析

地震作用下，地下结构产生的水平向的相对位移差是产生剪力和弯矩的主要原因，所以地下结构的抗震设计应充分考虑地下结构相对位移影响。从0.3g峰值加速度地震动作用下，模型中车站底部和顶部的相对位移时程曲线分析可见：

（1）在地震动作用下，车站上下部位产生的相对位移方向会发生由左往右的转变；

（2）车站上下相对位移峰值约为1.5cm，且发生在12.5s左右。

4 展望

随着我国地下交通的蓬勃发展，地铁车站结构的抗震问题正越来越来引起人们的注意，然而目前在这方面的研究成果很少,我们认为未来在以下几个方面值得深入研究。

（1）土是一种结构材料，也是一种高度非线性材料，虽然目前土的本构关系较多,但很少考虑土的结构，建立一种适用性较强的土的动力本构关系值得进一步研究。

（2）人工动力边界较多，且是相互联系的，本文仅考位移边界，其它一些人工边界也值得研究，尤其是边界间的相互关联以及边界的精确性问题。

（3）地铁车站结构是一个非常复杂的体系,影响其地震响应的因素也很多，例如摩擦系数、场地特性、地下水、动土压力等。本文只是选取了其中一部分进行分析讨论,还有很多其他影响因素值得我们去进一步研究。

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