上盖单塔框架结构时大底盘地铁车站的地震响应

安军海，赵志杰，王锡朝

（河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018）

随着地铁的快速发展及城市地下空间的广泛开发和利用，衍生了埋入式大底盘地铁车站及其与上盖结构连通的新型结构形式［1］。该类型结构聚集交通、商场、办公、居住等多种功能为一体，适应社会发展的需要；但因自身体量庞大、人员密集等特点，一旦遭受地震破坏，严重情况下将对生命财产造成损失，甚至将产生不良的社会影响，因此其抗震安全问题尤为重要［2-3］。

埋入式大底盘地铁车站及其上盖建筑体系的结构特点为：埋在地面以下的地铁车站一般要求高层高、大跨度、大空间，且对结构竖向构件的位置有严格限制；上盖塔楼多为框架结构或框架剪力墙结构，要求低层高、小空间结构。地下及上盖建筑要求的不同，使得上盖建筑物的墙或柱难以落地，如此便形成了大范围的水平及竖向刚度突变严重的大型结构体系，这对其自身抗震性能极为不利。因此，研究埋入式大底盘地铁车站及其上盖结构体系的抗震性能，对保证其地震时的安全性具有重要意义。

长期以来，人们普遍认为地下结构具有良好的抗震性能。然而，阪神地震等以往震害案例表明，强震作用下的地下结构并不完全安全，有时还可能会产生致命性的倒塌［4-5］。目前，已有诸多学者针对地铁车站及其临近结构的地震响应问题进行了研究。陈国兴等［5-7］考虑结构形式、场地条件等因素对地下结构的震害机理，通过系列研究指出了地下空间结构地震破坏的最不利构件。安军海等［8］基于数值模拟的方法研究了不同交叉角度工况下地铁双层隧道的地震反应特性，给出了矩形隧道和圆形隧道的地震变形模式。王国波等［9］基于工程实例，建立了地铁车站-上盖钢框架结构动力相互作用的二维数值模型，研究认为小尺寸的地下结构及较轻的上盖建筑物对土体的动力特性和结构体系地震反应的影响均较小。WANG H F等［10］基于数值模拟的方法分析了地面高层框架结构对相邻地铁车站地震反应的影响，结果表明相邻地上与地下结构的相对位置关系及地震波的入射角度对二者之间的动力相互作用有重要影响。WANG G B等［11］采用FLAC3D建立了土体-地铁车站及邻近地面建筑的三维数值模型，研究认为地下结构对地上结构的动力反应有很大影响，而地上结构对地下结构动力反应的影响很小。从研究对象来看，上述研究要么针对单独地铁车站结构，要么针对地铁车站临近或穿越既有结构，其涉及的地面结构与地下结构是2 种独立的结构，并未考虑地铁车站和与之直接固结在一起的上盖结构体系的相互作用。

ZHOU Y 等［12］研究了地铁车辆段分别上盖单塔框架剪力墙结构与框架结构的抗震性能，分析了裙房偏置和大底盘平面不规则情况下结构体系中明显的扭转效应，并指出了塔楼2/3 高度处为结构的薄弱部位。张天宇等［13］采用ABAQUS 软件建立了土-地铁车站及其上盖结构体系的三维数值模型并进行了地震反应分析，认为长周期基岩地震波对地铁车站及其上盖结构体系的地震响应影响最为显著。韩学川等［14-15］基于ABAQUS 软件建立了地铁地下车站-地表建筑一体化结构体系的三维有限元模型，分析了地表结构类型、地表建筑高度、围岩土体类型等对城市轨道交通枢纽一体化地铁车站结构地震响应的影响，结果表明地铁车站结构的动力特性主要取决于围岩土体类别及输入地震动的特性，而地表结构类型和高度的影响有限。以上研究抑或针对“地面模式”下的地铁车辆段及其上盖结构的地震反应，未考虑周围地层的影响；抑或针对轨道交通枢纽一体化模式下的常规地铁车站，未考虑大底盘的结构特征。

有鉴于此，本文以某实际工程为研究背景，采用有限元软件Midas GTS-NX 建立土体-大底盘地铁车站及其上盖单塔框架结构体系的三维数值模型，研究上盖结构层数对大底盘地铁车站结构地震响应的影响规律。

1 三维数值模型

1.1 工程概况

某大底盘地铁车站及其上盖单塔框架结构体系包含埋入地下的2 层大底盘车站及地面上的上盖6层单塔框架结构，两者通过转换板刚接为一体，结构体系的立面图如图1所示。上盖结构与大底盘地下地铁车站的相对位置关系及连接形式如图2所示。地铁车站结构横截面总长101.6 m，总高18.5 m，地下1 层层高6.6 m、地下2 层层高10.5 m，顶板厚1.2 m，底板厚1.0 m，中板厚0.8 m，柱子截面尺寸1.2 m×1.2 m；上盖单塔框架结构长24.5 m，宽12.0 m，高18.7 m，层高3.1 m，楼板厚度0.2 m，柱子截面尺寸0.5 m×0.5 m。结构体系的柱子位置平面分布及纵横向编号如图3所示，其中，地铁车站大尺寸截面柱的B3，B5，D3，D5分别与上盖框架结构小尺寸截面柱的YN1，YN8，ZN1，ZN8相重合。

图1 车站及其上盖单塔框架结构体系立面图（单位：m）

图2 大底盘地铁车站及其上盖单塔框架结构相对位置关系

图3 柱子位置平面分布及纵横向编号

1.2 三维数值模型的建立

数值模型采用整体式建模方法，数值模型底部固定，上边界取至地表，上盖框架结构部分按实际尺寸建模，下边界取至等效基岩面，采用有限元软件Midas GTS-NX，建立的土-大底盘地铁车站及其上盖单塔框架结构体系的三维数值模型如图4所示。该模型的长×宽×高为700 m×36 m×64 m，共有516 850个节点，574 847个单元。模型土体与结构分别采取实体单元和结构单元模拟，结构部分采用弹性本构模型，土体采用修正摩尔库伦模型，土体与地下结构之间的接触面采用无厚度接触面单元模拟，接触面采用库伦剪切模型。动力计算时：选择瑞利阻尼实现土在循环动荷载下的非线性和滞后性，模型横向边界设置动力自由场边界。取车站上盖结构层数分别为0，6，10，14，18层（0层为无上盖结构），以研究不同上盖结构层数对大底盘地铁车站结构地震响应的影响规律。

图4 土-地铁车站及上盖单塔框架结构三维数值模型（单位：m）

1.3 场地土层及模型参数的选取

根据岩土工程地质勘察报告及GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》，考虑数值模型的要求，对物理和力学性质相似的场地土层进行合并简化，并将其共分为6层，各土层具体参数见表1。地铁车站及其上盖框架结构体系为钢筋混凝土结构，其相应结构构件的混凝土强度等级和参数见表2。

表1 土层参数

表2 结构参数

1.4 地震波加载

场地人工波是以实际基岩面的振动加速度峰值及其反应谱作为地震动时程合成的目标峰值振动加速度及其反应谱，因此，其可最大限度地表征场地土的动力特性。数值模拟时，选择场地人工波作为输入地震动，并将其加速度峰值调整为0.2g，该人工波的加速度时程曲线及其傅里叶频谱如图5所示。

图5 输入地震波时程曲线及其傅立叶频谱

2 数值模拟结果与分析

2.1 车站柱子弯矩

在输入地震动作用下，不同上盖结构层数情况时的地铁车站柱子弯矩云图分布相类似，限于篇幅，文中仅给出无上盖结构和6层上盖结构时的车站柱子最大弯矩云图，如图6所示。由图6 可知：2 种情况时柱子的端部弯矩均明显大于中部，柱顶的最大弯矩均大于柱底的最大弯矩；边柱的弯矩均明显大于中间部位的柱子，其中横向第4行柱、纵向第C列柱的弯矩已然很小。这说明上盖结构的存在并没有改变地下结构柱子弯矩极值的分布区域。

图6 车站柱子弯矩云图

无上盖结构时柱子弯矩的最大、最小值分别为278 和-281 kN ·m，而6 层上盖结构时柱子弯矩的最大、最小值分别为306 和-309 kN ·m。可见，后者的弯矩最值大于前者，说明进行大底盘地铁车站的抗震设计时，要考虑上盖结构的影响。

综上，在一定范围内（结构处于弹性状态），上盖单塔框架结构的存在，只是增加了与其直接相连的地下车站结构柱子弯矩的大小，而未改变其分布规律，这时，将地震作用下上盖结构产生的底部剪力施加在地下结构的顶板上进行抗震设计是合理的。

建立以负2 层柱的柱底形心为原点的竖直坐标系，地震作用下，编号为A1，A2，A3，B1，B2，B3的柱子横截面弯矩幅值沿柱高的变化曲线如图7所示。

由图7 可知：上盖框架结构的存在增大了地铁车站柱子的弯矩幅值，且其弯矩幅值随着上盖结构高度的增加而增加；整体上，柱子的弯矩幅值沿柱高变化曲线接近“W”形分布，负1 层柱子的弯矩幅值要比负2 层的弯矩幅值大，且随着上盖结构高度的增加，负1 层柱子弯矩幅值增加的幅度也较大；A 列柱的弯矩幅值大于B 列柱，且A 列柱横截面弯矩幅值沿柱身高度方向改变更为显著，说明上盖结构对地铁车站产生了很大的扭转效应；距离上盖结构越近，柱子的弯矩幅值越大，特别是B3 柱子，这是由于其与上盖结构柱直接刚接，导致B3柱直接承担上盖结构传下来的底部剪力，内力增大明显，且上盖结构越高，内力增加越显著。因此，从弯矩反应来看，上盖结构下方的车站柱子是其抗震设计的薄弱环节。

图7 车站A1，A2，A3，B1，B2，B3柱弯矩幅值沿柱高变化曲线

2.2 车站顶板弯矩

在输入地震动作用下，无上盖结构和6 层上盖结构时地铁车站结构顶板弯矩云图如图8所示。由图8 可知：车站顶板的最大弯矩响应发生在与边柱顶部连接的区域；与无上盖结构时相比，上盖结构使得地铁车站的顶板弯矩显著增大，应力集中的区域也有明显增加，其弯矩增大及应力集中的区域主要分布在上盖结构在地下结构中的投影范围内。

图8 车站顶板弯矩云图

在输入地震动作用下，车站顶板正中位置的弯矩幅值沿车站横向变化的曲线如图9所示，其中，0 m处对应的位置为图3左侧墙的端部。

由图9 可知：受柱网布置的影响，车站顶板弯矩幅值沿其横向呈锯齿状变化，上盖结构的存在及结构层数的增加只使得弯矩幅值有所增大，而并未改变其沿结构横向的变化规律；车站顶板弯矩出现极值的位置正好是与柱子直接相连接的区域，且不同柱子连接区域的弯矩幅值明显不同，这是因为该区域容易产生明显的应力集中现象；随着上盖结构层数的增加，地下结构弯矩幅值逐渐增加，并且增加的幅度也越来越显著。

图9 车站顶板弯矩幅值沿其横向变化曲线

2.3 车站底板弯矩

在输入地震动作用下，无上盖结构和6 层上盖结构时大底盘地铁车站结构的底板弯矩云图及底板弯矩幅值沿车站横向变化曲线如图10 和图11所示。

图10 车站底板弯矩云图

对比图8—图11可知：上盖结构的存在虽然使得车站底板弯矩有所增加，但增加的幅值已不明显，最大仅为8%，也未造成明显的底板应力集中的现象；同车站顶板一样，车站底板弯矩曲线亦呈锯齿状变化，但与不同柱子连接区域的底板弯矩幅值大小相当，没有明显极值。因此，与车站顶板弯矩反应相比，上盖结构对底板弯矩反应的影响很小。

图11 车站底板弯矩幅值沿横向变化曲线

2.4 车站侧墙弯矩

在输入地震动作用下，车站侧墙顶部、中部和底部的弯矩幅值沿车站纵向的变化曲线如图12所示，其中，0 m 处对应的位置为图3 左侧墙的最前端。由图12 可知：车站侧墙中弯矩幅值最大的位置为底部区域、其次是顶部区域，中部最小；车站侧墙顶部弯矩幅值沿纵向分布呈台阶状，出现台阶的部位正好是与柱网靠近的区域，而中部和底部弯矩幅值在大部分中间区域基本上趋于平稳，这说明柱网分布对侧墙顶部地震响应的影响远大于对侧墙底部；上盖结构的存在使得侧墙弯矩有所增加，且随着上盖结构高度的增加，弯矩幅值增长的幅度也逐渐加大。

图12 车站侧墙弯矩幅值沿纵向变化曲线

在输入地震动作用下，6 层上盖结构时地铁车站结构柱子的剪力云图如图13所示。由图13 可知：柱子顶部的剪力最大，且剪力极值主要在车站端部靠近侧墙部位的柱端位置，而上盖结构投影区域范围内的柱子剪力较小。

图13 车站柱子剪力云图

在输入地震动作用下，编号为A1，A2，A3，B1，B2，B3 的车站柱子剪力幅值沿柱子高度变化曲线如图14所示。由图14 可知：随着上盖结构高度的增加，车站柱子的剪力幅值有所增加，且增幅逐渐增大；对同1 层柱（负1 层柱或负2 层柱）而言，柱子剪力幅值从下至上依次降低，剪力幅值在负1 层柱底和负2 层柱顶的连接部位有突变，其中A1，A2，B1，B2 柱出现突然增大；而A3，B3 柱的突变值不明显，尤其是B3 柱，其剪力幅值沿柱子高度变化比较均匀，这是因为B3 柱与上盖结构柱直接相连，而A3 柱与上盖结构柱相距最近的缘故；同一行柱的剪力变化规律基本一致，整体上，车站柱子越靠近上盖结构，其剪力幅值越小。

图14 车站A1，A2，A3，B1，B2，B3柱剪力幅值沿柱高变化曲线

2.5 车站结构相对层间位移

定义：车站结构的相对层间位移峰值为柱子的顶、底部位移时程曲线差值的最大值；层间位移角为相对层间位移峰值与柱高的比值。在输入地震动作用下，不同上盖结构层数时车站A列柱和B列柱的相对层间位移峰值和层间位移角分别见表3—表5。

从表3—表5可知：随着上盖结构层数的增加，车站结构的相对层间位移峰值和层间位移角均逐渐增加；不同上盖结构层数时，车站负2 层层间位移均大于负1 层的层间位移，说明水平地震作用下，大底盘地铁车站及其上盖结构体系中的地下结构发生的变形依然是剪切型；同一上盖结构层数时，同一列柱和同一行柱的层间位移相差很小，说明上盖结构的存在只改变了地下结构的变形量，而未改变其变形模式。

表3 车站A列柱相对层间位移峰值

表4 车站B列柱相对层间位移峰值

2.6 车站振动加速度

为分析上盖框架结构对地铁车站结构振动加速度的影响，定义：车站振动加速度最大差值百分比=|有上盖结构时车站柱子的振动峰值加速度—无上盖结构时车站柱子振动峰值加速度|/无上盖结构时车站柱子振动峰值加速度。在输入地震动作用下，不同上盖结构层数时车站A列柱和B列柱的振动峰值加速度分别见表6和表7。

表5 车站层间位移角

从表6 和表7 可知：不同上盖结构层数时，A列柱和B列柱的振动峰值加速度相差不大，最大差值百分比仅为5.6%，位于B2 柱的地下2 层柱底处，说明上盖框架结构的存在对车站结构振动加速度的影响可以忽略。因此，对大底盘地铁车站及其上盖结构体系中的地下结构进行抗震设计时，不必考虑上盖结构对地下结构惯性力改变的影响；车站柱子的振动峰值加速度自下而上逐渐增大，说明在该场地人工波地震作用下，地下结构仍处于弹性状态；整体上，随着上盖框架结构层数的增加，地下结构的振动峰值加速度先增大后降低，峰值点为14 层上盖结构时的模拟结果，这可能是因为该结构体系的自振频率与输入地震动的主频最接近的缘故。

表6 A列柱振动峰值加速度

表7 B列柱振动峰值加速度

3 结论

（1）在输入地震动作用下，上盖框架结构的存在增大了大底盘地铁车站结构的内力，其内力幅值随着上盖结构层数增加而增加，且增长幅度也逐渐加大。

（2）在输入地震动作用下，距离上盖结构越近，车站柱子的弯矩幅值越大，而剪力幅值越小。车站柱子横截面弯矩幅值沿柱高方向接近“W”形分布；受柱网布置的影响，车站顶板和底板弯矩幅值沿车站横向均呈锯齿状分布，而底板弯矩更为均匀，其极值大小相当；车站侧墙中，弯矩幅值最大的位置为底部区域，其次是顶部区域，中部最小。

（3）在输入地震动作用下，车站结构发生的变形仍然是剪切型，上盖结构的存在只改变了其相对位移峰值大小，而未改变其变形模式。

（4）在输入地震动作用下，车站柱子的振动峰值加速度自下而上逐渐增大。对地下车站结构进行抗震设计时，可不必考虑上盖结构对地下结构惯性力改变的影响。