软土场地地铁车站结构动力响应分析

左海平 刘昕业

摘要 基于ANSYS有限元軟件，针对软土场地，建立长周期地震动作用下，考虑土与地铁车站结构相互作用的二维模型，对典型两层三跨地铁车站进行动力响应分析。结果表明：长周期地震动作用下，典型软土场地上车站结构底板及顶板位置加速度峰值相比于输入地震波加速度峰值有比较显著放大;楼板和侧墙相交节点及底层中柱与楼板节点部位应力较大，属于抗震不利位置，设计应注意考虑。

关键词 长周期地震动;软土场地;地铁车站

中图分类号 U231.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0171-03

0 引言

1995年阪神地震中大开地铁车站等地下结构发生严重破坏后，地铁地下结构的抗震性能引起了人们的广泛关注。国内外学者利用数值模拟和振动台试验对软土场地上地铁车站等地下结构的地震反应进行了一系列研究。王雪剑等[1]、李积栋等[2]对典型的地铁地下车站结构进行过一系列的研究，但并未考虑长周期地震动作用于软土场地的情况。

目前对处于软土场地上的长周期地震动作用下的典型框架式地铁车站地震反应分析比较少，而相关研究表明软土场地会放大长周期地震动效应。我国幅员辽阔，地震频发，许多建立在软土场地上的地铁车站可能存在遭遇长周期地震动的影响，因此，长周期地震动作用下软土场地地铁车站结构动力响应分析对地铁车站结构的设计和优化具有现实意义。

文章基于ANSYS有限元软件，针对软土场地，建立了在长周期地震动作用下，考虑土与地铁车站结构相互作用的二维模型，研究地铁车站结构的动力响应规律，为地铁车站结构的抗震设计提供指导建议。

1 二维计算有限元模型

1.1 地铁车站模型

选取典型两层三跨地铁车站结构，宽度为17 m、高度为11 m，上覆土层厚度为4 m。车站结构的底板厚1.1 m、顶板厚0.8 m、中板厚0.8 m、侧墙厚0.8 m，中柱截面尺寸0.8 m×0.8 m、中柱间距为5 m，中柱与侧墙间距为6 m。将其简化为单柱平面框架结构，模型简图如图1所示。地铁车站结构主体部分混凝土强度为C35，中柱混凝土强度为 C50，根据楼梦麟等[3]的研究，该模型地基的计算宽度取为150 m，可以不予考虑人工边界对地铁车站结构动力特性的影响，即土体模型尺寸取150 m×5 m。有限元模型分析时，采用plane42单元进行模拟土体，beam3单元模拟车站结构，网格划分见图2。

1.2 材料本构模型及地震波选取

选取典型软土场地，密度为1.895 g/m³、弹性模量10.985 MPa、内摩擦角20°、黏聚力43.56 kPa。土体采用D-P本构模型，同时选取瑞利阻尼模拟阻尼作用。混凝土塑性模型作为混凝土的本构模型。该文选出一条波近场参照波Elcentro波并按选波原则[4]从美国太平洋地震工程中心选取一条长周期地震波Aqaba-Hadera E-W波对结构进行地震动时程分析，Aqaba-Hadera E-W波加速度时程曲线及傅里叶谱见下图3和图4，Elcentro波加速度时程曲线及傅里叶谱见下图5和图6。

2 车站结构地震响应分析

2.1 车站结构加速度反应分析

表1及表2列出了Aqaba-Hadera E-W波Elcentro波作用下地铁车站结构顶、底板中点的加速度峰值及相比于基岩处加速度峰值的加速度放大系数。

对表1及表2分析发现，在近场地震波Elcentro波作用下，车站结构底板位置加速度峰值是输入地震波加速度的0.93倍，车站结构顶板位置加速度峰值是输入地震波加速度的0.81倍;长周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下，车站结构底板位置加速度峰值是输入地震波加速度的1.15倍，车站结构顶板位置加速度峰值是输入地震波加速度的1.09倍。这说明与近场地震波Elcentro波相比，典型长周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下软土场地对地铁车站结构的地震反应放大效应比较显著。

2.2 车站结构应力分析

在Aqaba-Hadera E-W波及Elcentro波作用下，对地铁车站进行应力时程分析，其中关键部位—车站结构墙板与柱的连接节点的最大应力如下表3、表4所示，对拉应力分析，楼板和侧墙相交节点拉应力幅值较大，属于抗震不利位置，在车站结构设计时，要充分考虑其抗拉性能。对压应力分析，底层中柱与楼板节点部位压应力幅值较大，表明底层中柱节点位置是抗震较不利位置。

3 结论

该文利用ANSYS软件分析长周期地震波Aqaba-Hadera E-W波作用下软土场地地铁车站结构动力响应，得到以下结论：（1）远场长周期地震波低频含量较为丰富，软土场地放大效应显著，地铁车站结构在远场长周期地震波作用下，侧墙与楼板相交位置及下层中柱柱底的应力幅值较大，中柱为抗震最薄弱构件。（2）远场长周期地震波低频成分较多，经软土场地放大后，地铁车站结构加速度峰值明显增大;Aqaba-Hadera E-W波作用下，地铁车站结构各关键部位的加速度峰值总体从底部到顶部逐渐增大;对比于Elcentro波，远场地震波作用下车站结构顶板、底板等重要部位的加速度放大效应显著。

参考文献

[1]王雪剑.复杂地基中地铁地下结构振动台实验及其动力变形特性研究[D].南京：南京工业大学，2017.

[2]李积栋，陶连金，安军海，等.超浅埋大跨度Y形柱双层地铁车站三维地震响应分析[J].中南大学学报（自然科学版），2015（2）：653-660.

[3]楼梦麟，王文剑，朱彤，等.土-结构体系振动台模型试验中土层边界影响问题[J].地震工程与工程振动，2000（4）：30-36.

[4]左海平.长周期地震动与SSI效应耦合对厚覆盖软土场地上超高层建筑动力响应影响规律研究[D].南昌：华东交通大学，2017.