某大跨度中庭无柱地铁车站的抗震计算分析

冯煜坤

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010）

一般人们认为，由于受到周围岩土体的约束，地下结构的抗震性能一般比地面结构好，地震时地下结构不会发生像地上结构那样的坍塌或者毁坏，所以地下结构抗震问题在很长一段时间里并没有引起人们足够的重视。近些年发生在世界范围内的多次强地震对地下结构造成严重破坏，其中1995 年日本阪神大地震后，大开车站的破坏使世界掀起对地下结构抗震研究的热潮。庄海洋等[1]对阪神地震中大开地铁车站震害进行仿真数值分析，杜修力等[2]根据数值模拟及还原现场情况等对该地铁站破坏的原因及机理进行详细的总结。随着全国范围内地铁建设的推进，各种富有特色的车站不断涌现，为了减少震害破坏概率，在地铁车站施工前对地铁车站的抗震性能验算及分析是十分有意义的。事实上，国内已有许多对不同结构形式的车站抗震性能的针对性研究。庄海洋等[3]对两层三跨式地下车站抗震性能进行研究，陈国兴等[4]、左熹等[5]研究了近远场地震作用下三层三跨式地铁车站结构在液化地震下的反应，陈磊等[6]对三拱立柱式地铁地下车站结构进行了分析，刘庭金[7]等对有无柱地铁车站的地震响应进行了对比分析。为了更充分了解大跨中庭无柱车站的地震下受力情况及位移情况，本文基于MIDAS GEN/MIDAS GTS NX有限元软件，对苏州地区某大跨中庭无柱车站进行二维反应位移法计算以及三维非线性时程分析计算，以期为大跨度中庭无柱车站的抗震设计提供参考。

1 地下结构抗震设计方法

1.1 反应位移法

采用反应位移法进行地下车站结构横向地震反应计算时，可将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，主要考虑土层相对位移、结构惯性力和土体剪力。反应位移法是我国轨道交通设计主要的计算方法[8]，计算模型如图1 所示。

图1 反应位移法

1.2 动力时程分析法

时程分析方法通过输入某段时间的地震加速度形成的波，将土体和结构单元视作共同位移的整体，在保证节点耦合的情况下，可以计算地下结构中土体的位移以及内力、应变。时程分析法的计算模型见图2。

图2 时程分析法

2 中庭无柱站实例分析

2.1 工程概况

本文研究的车站为苏州市某地下二层单柱双跨岛式车站，公共区采用无柱结构，而设备区采用标准的有柱结构，车站标准段、无柱段截面及构件尺寸如图3 所示。车站标准段采用800×1200 尺寸的C45 混凝土柱，车站顶、中、底板、侧墙及梁采用C35钢筋混凝土。

图3 车站横断面对比

本站所在地的土体参数如表1 所示。本站50 年超越概率为10%的地表加速度为0.138g，从而确定抗震设防烈度为Ⅶ度（第一组）；场地土属中软土，建筑场地类别为Ⅲ类[8]。本站抗震设防类别为重点设防类，按照抗震等级二级采取抗震措施[8]。

表1 土层物理参数

2.2 E2 地震作用下结构计算

E2 地震作用下基于有限元分析软件MIDAS GEN 建立二维有限元模型进行分析。为减少计算成本，模型简化为平面应变模型，土体简化为仅受压土弹簧作用在结构上。计算模型如图4所示。

图4 车站计算模型对比

对结构最大层间位移进行汇总，见图5，验算E2 工况设防地震作用下层间位移角限值，如表2 所示。

图5 地震偶然组合位移对比（单位：mm）

表2 水平设防地震作用下结构层间位移角验算

2.3 E3 地震作用下结构计算

对该车站主体进行三维建模，采用非线性时程分析法计算结构在E3 地震作用下的动力响应。采用Midas GTS NX 进行计算分析。岩土采用摩尔—库伦本构模型，板、墙—采用壳单元，梁、柱采用梁单元。计算模型周边采用约束边界，侧面采用粘性人工边界。非线性时程分析模型如图6。

图6 车站三维有限元模型

根据地震安全性评价报告，输入1 组人工合成地震波的加速度时程曲线，如图7 所示，E3 地震峰值加速度为0.2g。

图7 E3 地震波的加速度时程曲线

地震波截取0～30s 这一段的加速度时程曲线进行计算。地震波作用下，结构层间位移时程曲线如图8～图9 所示；E3 地震作用要求结构的层间位移角不大于1/250[8]。

图8 负一层层间相对位移时程曲线

图9 负二层层间相对位移时程曲线

车站主体断面层间相对位移最大值汇总表和层间位移角最大值汇总表如表3 所示。

由表3 可见，三组地震波作用下右岸街站主体断面层间位移角均小于限值1/250，在E3 地震作用下车站结构整体变形满足性能等级要求。

表3 层间相对位移最大值汇总

3 总结

经过对该车站的地震相应计算分析，对比不同地震波作用下，中庭无柱和标准有柱两种结构的地震响应特性，得到主要结论有如下。

（1）在E2 地震作用下，2 种车站结构形式都有产生位移，其中有柱车站的侧墙与顶板连接处、顶板与中柱连接处的位移较大；无柱车站在侧墙与顶板连接处的位移较大。可以得出结论车站的构件连接处为抗震的薄弱点，因此在抗震设计中应注重对这些节点进行加强。

（2）经过对比分析，在E2 及E3 抗震计算分析中，中庭无柱段的位移和有柱段的位移相比都较小，经初步分析认为无柱段对顶板侧墙等构建进行加强的缘故，无柱段侧墙厚1m，而有柱段侧墙厚0.7m，无柱段侧墙与顶板交界处截面加大至1.6m，有柱段侧墙与顶板交界处无特殊措施。这些地方皆为抗震的薄弱位置，证明加强抗震位移薄弱处是较为有效的抗震措施。