注浆加固对地铁车站中柱抗震性能的影响分析

陈 聪，舒 恩,，蔡海兵，洪荣宝

(1.中大检测(湖南)股份有限公司，湖南 长沙 410000；2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

一直以来，人们的普遍观点都认为地下结构受到土与地下结构的互相约束作用，其抗震性能比地上相对较好。自研究日本阪神地震中大开地铁车站受灾情况后，人们开始逐渐认识到对地下结构进行抗震设计和研究是非常有必要的[1]。一些专家和学者的研究[2-3]发现，中柱是地下结构最容易受地震作用影响的薄弱环节。因此，地下结构中柱后来一直作为结构的设计的重点和要点，一些专家学者[4-5]也对其做出了研究，例如滑动支座和铰支座等，通过研究发现虽然可以通过改变支座的形式来改善地下结构中柱的抗震性能，但是对于现场实施来说可能难以达到预期的效果。

目前，通过注浆加固的方式可以使地基土物理性能得到很好的改善[6]。在地下结构设计和施工过程中，能否采取注浆加固的方式来提高地下结构中柱的抗震性能，因此，本文以日本阪神大开地铁车站作为研究的实际工程背景。考虑对结构的上下侧和左右侧进行注浆加固，以结构在未注浆情况下的作为评定标准，研究在不同侧注浆对地下结构中柱抗震性能的影响。

1 地下车站参数以及模型的建立

1.1 大开车站尺寸和土层物理参数

阪神大开地铁车站是典型地采用明挖法施工钢筋混凝土框架结构的单层双跨车站，尺寸如图1所示，共有6层土，其中上覆土的厚度为4.8 m，并假设各层土的阻尼比均为0.05，其具体的土层物理参数如表1所示。由于大开地铁车站在设计时没有考虑地震的影响，地震后近百米范围内的中柱发生严重的剪切破坏。中柱和顶板是采用刚性连接，因此，在此次地震中顶板也出现严重的坍塌，中柱和顶板的破坏情况分别如图2～3所示[7]。

图1 地下结构模型尺寸(单位：mm)

图2 大开地铁车站中柱破坏状况

图3 大开地铁车站坍塌引起的地面沉降

1.2 注浆后土层物理参数

地震的发生往往具有随机和不可测性，再加上研究条件的限制没有办法进行相似模型试验，所以无法获得相关的实测数据和模型试验数据。因此，本文在考虑注浆后土层物理力学参数全部由相关文献得到。由于没有找到室内试验和现场注浆后土层泊松比的相关文献，故本文考虑采用本层位的原状土与混凝土的均值来作为注浆后本层位的泊松比值；弹性模型在注浆后可用增大55倍来进行考虑[8]；马海龙通过水泥土的实验分析得到，注浆后土层的密度一般改变不大，大约在1.0%～4.0%，本文按密度增幅3.0%考虑[9]。

1.3 地下车站模型的建立

本文采用有限元软件ANSYS建立地下车站三维有限元模型，根据楼梦麟等[10]研究表明当取地下结构左右各5倍土层深度时，地下结构中柱采用离散的梁单元体，侧壁采用离散的板单元体，离散后的三维模型共有107 800个八节点六面体等参元，3 780个板单元体、168个梁单元体。当施加完边界荷载后共有349 037个自由度。地下结构三维模型如图4所示。

图4 大开车站地下结构模型

2 输入地震波及其频谱特性

由于无法收集到日本阪神地区的强震下的地震波数据信息。因此，在考虑整个土层与结构互相作用的地震反应时，本文选用在某一重大工程场地安全评估的三条50年超越概率为10%的地震时程，其加速度峰值为0.10 m/s2，其地震时程曲线、傅里叶幅值谱和反应谱曲线分别如图5～7所示[11]。三条地震波依次简称为IV波、JY波和WC波，将它们作为激励地震波分别依次输入。

(a)时程

(a)时程

(a)时程

3 上下侧注浆对地下结构中柱抗震性能的影响

3.1 上下侧注浆范围

地震时，纵波的速度传播很快，会使地面和构筑物上下振动。为了讨论地下结构上下侧注浆后中柱抗震性能的改善程度，本节设计了4种不同的注浆模型，依次分别是：上下侧未注浆、上侧注浆0.5 H、下侧注浆0.5 H、上下侧各注浆0.5 H。然后分别依次输入三种不同的地震波来进行激励[12]。

3.2 结果分析

为了更加系统地分析数值计算所得到的结果，本文主要给出了中柱、侧壁等关键部位的地震反应值，具体为：中柱和侧壁的顶部以及底部的加速度峰值、位移峰值、剪力峰值和弯矩峰值以及中柱上方和侧壁正上方、斜上方加速度峰值和位移峰值。将未注浆得到的反应量作为评定标准，来评价对上下侧不同的注浆方式的适用性。表2～4分别给出了三种不同地震波激励下不同注浆方式，各个关键地震反应峰值。

表2 IV波作用下上下侧注浆加固结点反应量值

表3 JY波作用下上下侧注浆加固结点反应量值

表4 WC波作用下上下侧注浆加固结点反应量值

从表2～4可以看出，选用的三种上下侧不同的注浆方式，无论在哪种地震波激励下中柱顶底部的加速度峰值以及位移峰值不会因上下侧不同的注浆方式而发生明显的改善；在IV波和WC波激励下，中柱顶底部的剪力峰值和弯矩峰值减小，而在JY波激励下有部分增大的情况。IV波激励下，侧壁顶底部的加速度峰值以及位移峰值都是减小的，而在JY波激励下，侧壁的顶部加速度峰值以及位移峰值都在增大，底部相反；在WC波激励下，除了顶部的加速度峰值是增大的，顶部位移峰值和底部加速度峰值以及位移峰值都是减小。对于侧壁顶底部结点来说，无论在上下侧采用何种注浆方式其弯矩峰值、剪力峰值和轴力峰值没有明显的变化规律。

4 左右侧注浆对地下结构中柱抗震性能的影响

4.1 左右侧注浆范围

地震时，横波会使结构物前后摇晃，也是造成建筑物和构造物主要破坏的原因。本节为了研究上下侧注浆对地下结构中柱抗震性能的改善程度，主要设计5种不同的注浆模型，分别是：未注浆、两侧注浆0.5 H、两侧注浆1.0 H、两侧注浆2.0 H、两侧注浆3.0 H，也同样依次输入三种不同的地震波[12]。

4.2 结果分析

数值分析关键部位和评价结果同本文3.2节。具体结果见表5～7。

表5 IV波作用下左右侧等宽不同范围结点反应量值

表6 JY波作用下左右侧等宽不同范围结点反应量值

表7 WC波作用下左右侧等宽不同范围结点反应量值

从表5～7可以看出，本节选用的4种上下侧不同的注浆方式，无论在哪种地震波激励下中柱顶底部的加速度峰值以及位移峰值都是在减小，基本上是随着注浆范围的增大呈现线形减小趋势。但当注浆到2.0 H以后，中柱顶底部的弯矩峰值以及剪力峰值虽相对未注浆状态是减小的，但相对0.5 H和1.0 H而言却增大了。侧壁顶底部无论在哪种地震波激励下，其加速度峰值以及位移峰值都随着两侧的注浆范围变大在逐渐减小。对于侧壁来说，在IV波激励下，左右两侧注浆0.5 H，其剪力峰值和轴力峰值都会增大，还有侧壁底部的剪力峰值随着注浆范围增大呈现减小的趋势，但都大于未注浆的情况，其他参数都呈现减小的趋势。在JY波激励下，左右两侧注浆0.5 H，侧壁顶部剪力峰值和轴力峰值都会增大；左右两侧注浆0.5 H～2.0 H，剪力也是在不断增大，同样其他参数都小于未注浆情况。在WC波激励下，侧壁顶部轴力峰值都大于为未注浆的情况，底部与JY波激励下侧壁底部情况类似。各个地表观测点而言，不管何种地震波进行激励下，其加速度峰值以及位移峰值基本上都是呈现线形减小的趋势。

5 结 论

本文以日本阪神大开地铁车站为实际工程算例，采用ANSYS有限元软件，模拟了对结构的上下侧和左右侧分别进行不同范围的注浆情况，地下车站在三种不同的地震波激励下，地下车站中以及其他各个关键部位的抗震性能影响情况。结果表明：考虑对地下结构上下侧进行注浆处理，不仅没有有效减小中柱的抗震性能，而且中柱部分峰值反而增大，侧壁反应量峰值也明显增大，可能会加剧地震作用下侧壁的损伤；考虑对其左右侧进行注浆处理时，当对其左右侧0.5 H～1.0 H范围内注浆，可以减小地震反应量峰值。因此，当考虑注浆加固方式在设计和施工设计和施工地铁车站可以适当考虑对地下结构左右侧0.5 H～1.0 H范围内注浆，以减小中柱受到的剪切破坏效应。

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