大跨度地铁车站结构抗震分析

李会峰

摘 要：当前，我国城市发展规模不断扩张，人口总数也在持续增加，造成城市交通出现严重的拥堵现象。地铁由于其运量大、安全快捷且节能环保等诸多优点，已逐渐成为人们不可或缺的交通工具。截至2018年，我国已有超过35个城市开通了地铁，通车里程达5000km，除此之外，还有许多城市在积极规划地铁交通网。我国是世界上地震灾害最频繁的国家之一，地铁车站往往是人流密集的地方，一旦在地震中发生破坏，将会带来极大的人员伤亡和财产损失，因此，研究大跨度地铁车站结构抗震措施具有非常重要的现实意义。

关键词：大跨度;地铁车站;结构抗震

随着我国城市化的迅速发展，城市用地日趋紧张，城市地下空间的开发利用对于缓解城市交通压力起着关键作用。地铁作为一种独立的交通系统，并不受地面道路情况的影响，在城市交通中发挥着巨大的作用，我国近些年来地铁的数量在迅速增加，截止2017年末，我国已有62座城市里的城市轨道交通线网规划获批，总里程达7321km，其中已运营长度达5033km。相对于地上结构而言，地铁车站结构完全埋置于地下，受到周围岩土体的约束及加固作用，人们潜意识认为地铁车站的抗震性能优于地上结构，又因其为数不多，震害的影响较地上结构较小，故长期以来，地铁车站的抗震并没有得到人们的重视。1985年，墨西哥8.1级地震致使建在软弱地基上地铁侧墙与地表结构相交部位产生过大裂缝而破坏的现象;1995年，日本阪神地震造成了大开车站等毁灭性破坏，产生巨大的生命财产损失;2008年汶川发生的8.0级大地震导致了多条隧道的坍塌;因此，地铁车站的抗震性能分析日渐成为了引起人们重视的问题。

1 抗震结构设计概述

抗震结构主要是指在针对可能发生的地震等灾害进行的分析，以保障相关地铁车站使用人员人身安全和经济安全为目的进行的，综合决策和评判系统在当前地铁车站设计中的体现。地铁车站结构的抗震设防类别设置中，其主要根据抵御的地震强度和重要性程度来进行相关的划分，即按地铁车站所在地区，受地震破坏时产生的损失与影响而进行的划分。目前的抗震设防类别设置中，可将地铁车站结构分为以下三类：甲类抗震地铁车站结构、乙类抗震地铁车站结构、丙类抗震地铁车站结构。地铁车站结构抗震设防类别不同，其抵御相关地震灾害的作用的取值和抗震措施的采取方式也不尽相同。

2 工程概况

该地铁车站为地下两层双岛四线越行站，标准段采用单柱双跨断面形式，车站长647.6m、宽40.88m，单跨20.44m，顶板覆土3m，底板埋深20.2m。该地铁车站抗震设防分类为重点设防类，抗震等级为三级，车站埋深范围主要地层为淤泥层、粉质黏土层及全、强风化粉砂质泥岩。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》，场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅲ类，场地地震动峰值加速度调整系数为1.25。

3 大跨度地铁车站结构抗震策略

3.1 静力作用下结构计算

分别考虑最低水位工况（水位取至底板底）、最高水位工况（水位取至地面）进行正常使用极限状态和承载能力极限状态组合计算，车站两跨跨度一致，静力作用下内力呈轴对称特点，其中除低水位工况计算结果中顶板跨中与边支座内力比高水位工况计算结果大之外，其余特征截面受力均由高水位工况控制。

3.2 E2地震作用下的结构响应分析及包络内力

进行E2地震作用下结构计算时，不验算裂缝宽度，地下水位按常水位（埋深1m）考虑，结果显示E2地震作用下惯性力、强制位移荷载为非对称荷载，导致内力计算结果非对称，因此取最不利截面进行受力复核。主要对结构标准段顶板、中板、底板及侧墙支座和跨中内力控制截面各个工况进行配筋計算和对比分析。根据上述计算结果进行结构横剖面承载力计算和裂缝宽度验算。经计算，截面的配筋均能满足正常使用工况下裂缝宽度要求，其最大裂缝宽度限值迎土面为wmax≤0.2mm，背土面为wmax≤0.3mm，即满足正常使用工况下裂缝要求的同时均满足地震工况下的承载力要求。

3.3 E3地震作用下的结构响应分析

E3地震作用下重点设防类地下结构的抗震性能要求为II级，须进行结构整体变形性能分析。笔者采用非线性时程分析法对地铁车站在E3地震作用下的整体变形进行了分析计算。岩土采用摩尔-库伦理想弹塑性模型，结构采用线弹性模型。计算模型底面采用固定边界，侧面采用黏性人工边界，模型底面取至强风化粉砂质泥岩层面。

3.3.1 阻尼计算

3.3.1.1 边界阻尼

在节点布置法向和切向的黏滞阻尼器，单位面积的阻尼系数根据如下公式计算：

式中：CP为法向阻尼，N·s/m;CS为切向阻尼，N·s/m;E为弹性模量，MPa;μ为泊松比;ρ为密度，kg/m³;A为面积，m2;G为剪切模量，MPa;为体积模量，MPa。根据上述公式，边界阻尼可由土体的弹性模量、泊松比、密度等参数计算得到。MidasGTSNX能够根据上述公式自动计算边界阻尼。

3.3.1.2 土体内部阻尼

土体内部阻尼采用Rayleigh阻尼，它将整体阻尼矩阵[C]用整体质量矩阵[M]和整体刚度矩阵[K]的线性组合来表示：

公式（5）中的比例常数α和β可由下式确定：

式中：ω1、ω2为振型参与质量最大的前两阶振型的自振频率;ξ1、ξ2为相应振型的阻尼比。

通过特征值分析计算前两阶振型的自振频率。特征值分析时不施加任何阻尼（包括边界阻尼）及荷载，只有底面的固定边界。经计算，该模型中前两阶振型的自振频率分别为：ω1=0.5671342，ω2=0.5676105。土体阻尼比按常量0.05考虑，将ω1、ω2代入公式（6）、（7）计算得到α=0.178245218、β=0.0140256193。

3.3.2 地震动模拟

地震发生时，从震源释放的部分能量以波的形式向四周传播而形成地震波，它可以分为纵波、横波和面波。横波和面波到达时地面振动最强烈，一般认为地震在地表面引起的破坏主要来自横波和面波的传播。因此进行动力分析时，为简单起见，一般仅考虑由基岩发生的横波沿土层向上传播的作用。

地震作用输入采用振动法，即假定设计地震作用基准面（基岩）上各点的地震加速度在同一时刻是相同的，设为{üg}。令{üg}为计算区域各点相对基岩的相对加速度，则运动方程如下：

运动方程等号右侧的地震惯性力作用在土体和结构上，模拟地震作用。基岩地震加速度{üg}通过地震加速度时程曲线输入。E3地震作用II类场地设计地震动峰值加速度为0.22g，III类场地地震动峰值加速度调整系数为1.25，故该地铁车站E3地震作用峰值加速度为0.22g×1.25=0.275g。

不同地震波作用下结构水平位移均为顶部大、底部小，底板相对基岩位移较小，对于两层地下结构，层间位移趋近于线性变化。

结构层间位移角均小于GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》中的限值4×10-3，因此在E3地震作用下车站结构整体变形满足性能等级为II级的要求。

4 结语

随着人们对于地铁车站结构设计中抗震结构设计重视程度的增加，对于相关的地铁车站结构设计中的抗震设计的研究也逐渐成为了当前地铁车站设计研究中的重点内容，简而言之，人们更多地希望通过抗震设计提高地铁车站的稳定性，为此，相关的研究与设计人员需要能够立足于地铁车站设计与施工的具体流程，进行更为合理的设计。

参考文献：

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