某典型地铁车站结构抗震分析

摘  要：文中针对某两层两跨的典型地铁车站结构，建立起三维计算模型，其中考虑了土体的非线性和结构的弹塑性变形，分析了其在不同幅值的人工地震波作用下的地震响应规律，指出了结构抗震的薄弱部位，并从结构柱端弯矩和结构变形两方面评价了结构的抗震性能。计算分析表明该结构具有较好的抗震性能，结构整体满足抗震要求。论文研究成果可供相关类似工程的设计提供参考。

关键词：地铁车站结构；地震响应；抗震性能；框架结构

一、引言

       随着城市地铁建设的飞速发展，城市地铁已成为城市整体抗震防灾的重要组成部分，另外，地下结构一旦在地震中发生破坏，其修复成本也及其高昂，其抗震性必须引起足够的重视。因此，地下结构的抗震分析是目前抗震分析领域的热点[1-3]。

二、计算模型

      该结构模型如图 1 所示，为两层两跨的框架结构，水平纵向长 192m（纵向柱距 8m），水平横向宽 24m，高 12m。

      基于已有研究成果[4]，计算范围选取如下：水平横向宽度：取结构横向宽度的 5 倍；水平纵向长度：由于本文仅考虑水平传播的 SH 波，因此，模型可按平面问题考虑，纵向长度取单位宽度即可；竖向深度：根据该处的地质钻孔资料，在零下 50m 左右即到达了基岩面，因此，竖向深度取 50m。则计算模型如图 2 所示。

      静力计算时，模型四个侧面均取固定边界，底部取为竖向固定、水平自由的边界，表面为自由变形边界。动力计算时在模型的四个侧面上均采用自由场边界条件[5]，底部取为竖向固定、水平自由的边界，顶面为自由变形边界。

      动力计算时，在地下 50m 基岩处输入未来 50 年超越概率为 10%和 2%的地震动加速度进行中震和大震计算其幅值分别为 52gal 和 96gal。中震的加速度时程及频谱特征曲线如图 3 所示。

      其中采用等价线性化方法考虑土体的非线性特性，计算参数见表 1 所示。车站结构的混凝土材料选用 MC 模型，参数按 C30 混凝土选取。

三、计算结果

1．柱端弯矩

      图 4 和图 5 分别为中震和大震时柱端弯矩时程曲线，由图可见，柱端弯矩最大值分别为 844KN*m 和 1934KN*m，与静力时的柱端弯矩值（155KN*m）相比，增量非常大。由此可见，柱子为轴向受力构件，静力时柱端弯矩较小，而在地震作用下，柱子两端相对位移增加导致柱端弯矩有较大的增幅，是结构抗震的薄弱部位。

2．结构变形分析

      本小节通过选取车站结构上几个具有代表性的点，分析车站结构在地震过程中的变形。考虑车站结构为两层两跨的对称结构，选取的点的位置为柱子车站顶板、中板、底板的交接处，上柱两端的相对位移以 upper 表示，下柱两端的相对位移以 bottom 表示。由于本文仅考虑水平横向地震响应，因此，分析这点的水平横向相对位移。

      图 6 为中震时结构顶板 3 个不同点水平横向位移时程曲线，的图 7 和图 8 分别为中震和大震时柱端水平横向相对位移时程曲线，由图可见：

      （1）在横向剪切地震波作用下，结构顶板的横向变形最大，中板次之，底板最小，柱子两端横向相对位移在中震和大震时分别为 13mm 和 29.4mm；

      （2）沿结构纵向顶板各处节点的位移时程曲线几乎一致（图 6），表明车站结构在中震水平作用下以一个整体在运动，即车站结构有良好的整体抗震性能；

      （3）在中震和大震时结构的层间位移角分别为：13/4,000=1/308 和 29.4/4,000=1/136，可见中震时结构仍处于弹性阶段，在大震时结构进入塑性阶段。

四、结论

      本文计算分析了某典型框架地铁车站结构的地震响应规律，可得到如下结论：

      1）与结构边墙相比，地下框架结构中的框架柱是最薄弱的构件，极易发生柱端的剪切破坏和柱子中间的压弯破坏，框架柱的破坏会导致结构顶板等构件的破坏，最终导致结构的完全破坏。因此，柱子是地下框架结构抗震的薄弱部位；

      2）结构顶板的变形最大，由此可见，浅埋不利于结构的抗震，但埋深过大，会增加造价。因此，需综合考虑工程造价和结构抗震安全性，以确定结构的埋深；

      3）结构在中震时结构仍处于弹性阶段，而在大震时虽进入塑性阶段，但结构整体性仍较好。因此，结构整体抗震性能良好。

参考文献

[1] Samata S，Ohuchi H and Matsuda T. A study of the damage of subway structures during the 1995 Hanshin-Awaji earthquake[J].Cement and Concrete Composites，1997，19（3）：223-239.

[2] An X. H.，Shawky A. A. and Maekawa K. The collapse mechanism of a subway station during the Great Hanshin earthquake [J].Cement and Concrete Composites，1997，19（3）：241-257.

[3] Huo H.，et al. Load transfer mechanisms between underground structure and surrounding ground：evaluation of the failure of the Daikai station [J].Journal of Geotechnical and Geoenvi ronmental Engineering，2005，131（12）：1522-1533.

[4] 孔戈.盾构隧道地震响应分析及抗减震措施研究[D].上海：同济大学，2007.

[5] Itasca Consulting Group. Fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions[R].Minneapolis： Itasca Consulting Group，Inc，2002.