不同计算方法在暗挖地铁车站抗震设计中的应用研究

■ 中铁第六勘察设计院集团有限公司 张金伟

当前，社会发展步伐加快，地铁线网逐年扩大、线路愈发密集，周边工程条件渐趋复杂。由于暗挖车站具有不影响交通、减少地下管线改移等优势，其应用数量越来越多。地震对地铁工程的影响巨大，需要对暗挖地铁车站的抗震设计进行深入的研究。目前，研究多集中在明挖车站或其他地下空间结构[1]-[4]，针对暗挖地铁车站的抗震设计研究还很少。本文通过两种不同计算方法在暗挖地铁车站抗震设计中的应用研究，对抗震设计的适用性进行评定。

1.工程概况

该地铁车站位于北京市主城区交通干线下方，沿道路“一”字形布置。道路两侧为30层以上的高层住宅，车站上方埋设燃气、雨水、上水、电力、电信等多种地下管线。为减小车站施工时对道路的交通影响，并尽量不改移现状管线，加之车站基底埋深约31m，局部深33m，车站采用暗挖法施工。车站标准段为两层三跨结构形式，采用现浇钢筋混凝土框架结构。车站顶拱、底板及边墙采用C40、P10砼，中板采用C40砼。

2.抗震设计条件及设防目标

京津唐张地区自有历史记载以来，共查证到5级以上地震60余次。平均每10年发生一次，频率虽不高但破坏性极大。拟建场区设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g。25m深度范围内土层等效剪切波速值Vse在250m/s～500m/s之间。场地土类型为中软—中硬土。场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期为0.35s。拟建场地地面下20m深度范围内的饱和粉土及砂土不液化。

当遭受低于该工程抗震设防烈度的多遇地震影响时，车站主体结构不损坏，不影响周围环境和市政设施正常运营；当遭受相当于该工程抗震设防烈度的地震影响时，车站结构不损坏或仅需对非重要结构部位进行一般修理，对周围环境影响轻微，不影响市政设施正常运营；当遭受高于该工程抗震设防烈度的罕遇地震影响时，车站结构支撑体系不发生严重破坏且便于修复，无重大人员伤亡，对周围环境不产生严重影响，修复后市政设施可正常运营。

3.抗震设计计算思路和方法

车站主体结构沿纵向结构形式连续且规则，横向结构断面对称，抗震分析时可近似按平面应变问题进行处理，分别采用反应位移法和时程分析法对车站进行抗震验收和分析，周围土体作为支撑结构的地基弹簧，结构采用梁单元进行建模，最后通过计算结果的比较，评价两种不同计算方法的适用性。

计算时应考虑土层相对位移、结构惯性力和周围剪力的作用。应用Midas-GTS有限元分析计算软件，采用平面框架结构，车站底板支承在弹性地基上，通过“荷载—结构”模型，计算构件的弯曲、剪切和压缩变形。然后根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，取最不利组合包络，进行承载能力的计算、变形及裂缝的验算。

4.反应位移法抗震计算分析

按岩土工程勘察报告，选取代表性钻孔的地层参数并综合考虑站区地质条件进行计算，地面标高取41.06m，结构顶板上覆土厚度取17.4m，结构总高度15.1m。抗浮水位标高34m。

4.1 输入参数计算

（1） 弹簧支座位移计算

在结构分析计算中，车站结构负一层划分单元为5个，负二层划分单元为7个。基岩面埋深H=53.6m。经计算，各支座位移在0.027m～0.0378m之间，最大相对位移约为0.01m。

（2） 弹簧刚度计算

加权平均各土层后相应地基反力系数Kx=45MPa/m2；Kv=45MPa/m2。计算车站侧墙与土体相互作用压缩弹簧刚度kx=62.1MPa/m，剪切弹簧刚度kv=62.1MPa/m。计算底板与土体相互作用压缩弹簧刚度kx=83.5MPa/m，剪切弹簧刚度kv=83.5MPa/m。计算作用于结构顶板、底板、侧墙剪切力分别为1.65、21.2、11.4 kN/m。

4.2 计算结果及分析

将计算的地震反应位移施加于结构的弹簧支座处，支座的约束反力即为施加于结构侧壁的地震作用力。计算结果如图1所示。

计算最大弯矩为2371KN·m，发生在侧墙角部，与静力计算结果比较，该地震组合不控制车站结构各构件配筋。

5.时程分析法抗震计算分析

计算50年超越概率63%、10%、5%、2%、1%共5种概率水准的基岩水平峰值加速度分别为39.00、163.70、221.40、293.00、348.10gal，持时参数分别为 8.0、9.5、10.0、10.0、10.0s。

图1 计算结果图示

图2 时程分析法计算结果图示

表1 内力计算结果对比表

5.1 计算模型及输入

采用波动法进行地震动输入，三向地震波输入时，其加速度最大值按照1（水平X方向）：0.85（水平Y方向）：0.65（竖向）的比例调整，模型边界采用粘弹性吸收边界。计算模型的侧面人工边界距地下结构为3倍车站水平有效宽度，底面人工边界距结构为3倍车站竖向有效高度，上表面取至实际地表。

5.2 计算结果分析

计算结果如图2所示。

弯矩最大发生在底板与侧墙接口部位，为2197KN·m。

6.不同计算方法对比分析

根据以上计算结果，对不同计算方法所得各项内力进行对比分析，如表1所示。

7.结论与讨论

（1）时程分析法与反应位移法两种计算方法除个别点以外，内力计算结果较为接近，达到了互相验证的目的，同时表明两种方法均适用于暗挖地铁车站的抗震设计。时程分析法与反应位移法两种方法计算结果有所区别，时程分析法顶板相对底板位移较反应位移法大，这主要是由于两种计算方法在位移计算、模型边界约束及弹簧布置等方面有所不同导致。

（2）通过计算发现，无论是反应位移法还是时程分析法都不控制结构构件设计，最终以基本组合和标准组合控制。因地震状态下各弹簧支座的相对位移最大在50mm左右，可推断出地震作用使得车站结构对周边环境如地表、管线、建（构）筑物的影响较小，不会构成较大的破坏。

（3）通过构造措施改善结构受力，遵守“强柱、弱梁、更强节点核心区”原则。同时，对钢管柱节点和梁的连接部位进行加强、设置节点腋角，并在结构开洞处应设置加强圈梁或环框梁。