大跨度地铁车站结构抗震分析

蒋兴起

常州市轨道交通发展有限公司 江苏常州 213022

1 地下结构抗震设计常用分析过程

1.1 抗震设防目标

依据GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》，城市轨道交通结构的抗震性能要求分成下列3个等级：

性能要求Ⅰ：地震后不破坏或轻微破坏，应能保持其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段；不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全。

性能要求Ⅱ：地震后可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常使用功能；结构局部进入弹塑性工作阶段。

性能要求Ⅲ：地震后可能产生较大破坏，但不应出现局部或整体倒毁，结构处于弹塑性工作阶段。

对于地下车站，当经受重现期100年的E1地震作用和重现期475年的E2地震作用时，需满足性能要求Ⅰ的规定，当经受重现期2450年的E3地震作用时需满足性能要求Ⅱ的规定[1]。

1.2 抗震设计方法

抗震设计中地震效应的计算方法有反应位移法、反应加速度法、非线性时程分析法等。根据GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》，对于重点设防类、标准设防类地下车站结构，采用反应位移法或反应加速度法进行E2地震作用结构计算，采用反应加速度法或非线性时程分析法进行E3地震作用结构性能分析。

采用反应加速度法时，土体可采用平面应变单元进行建模，结构可采用梁单元进行建模。模型底面采用固定边界，侧面采用水平滑移边界。

采用非线性时程分析法时，可采用土-结构动力互相作用的二维计算模型或者三维计算模型。计算模型的侧面人工边界距地下结构的距离不宜小于地下结构水平有效宽度的3倍，底面人工边界宜取至设计地震作用基准面且距结构的距离不小于地下结构竖向有效高度的3倍。

2 工程概况

该地铁车站为地下两层双岛四线越行站，标准段采用单柱双跨断面形式，车站长647.6m、宽40.88m，单跨20.44m，顶板覆土3m，底板埋深20.2m，该地铁车站抗震设防分类为重点设防类，抗震等级为三级，车站埋深范围主要地层为淤泥层、粉质黏土层及全、强风化粉砂质泥岩。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》，场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅲ类，场地地震动峰值加速度调整系数为1.25。该地铁车站选用反应位移法进行E2地震作用下的抗震性能验算，选用非线性时程分析法进行E3地震作用下的抗震性能验算[2]。

3 一般使用工况及地震工况计算

3.1 静力作用下结构计算

分别考虑最低水位工况（水位取至底板底）、最高水位工况（水位取至地面）进行正常使用极限状态和承载能力极限状态组合计算。车站两跨跨度一致，静力作用下内力呈轴对称特点，其中除低水位工况计算结果中顶板跨中与边支座内力比高水位工况计算结果大之外，其余特征截面受力均由高水位工况控制。

3.2 E2地震作用下的结构响应分析及包络内力

进行E2地震作用下结构计算时，不验算裂缝宽度，地下水位按常水位（埋深1m）考虑，E2地震作用下惯性力、强制位移荷载为非对称荷载，导致内力计算结果非对称，因此取最不利截面进行受力复核。

3.3 E3地震作用下的结构响应分析

E3地震作用下重点设防类地下结构的抗震性能要求为II级，须进行结构整体变形性能分析。笔者采用非线性时程分析法对地铁车站在E3地震作用下的整体变形进行了分析计算[3]。岩土采用摩尔-库伦理想弹塑性模型，结构采用线弹性模型。计算模型底面采用固定边界，侧面采用黏性人工边界，模型底面取至强风化粉砂质泥岩层面。以下就是 阻尼计算

边界阻尼计算模型侧面的黏性人工边界，即在节点布置法向和切向的黏滞阻尼器，单位面积的阻尼系数根据如下公式计算：

式中：CP为法向阻尼，N·s/m；CS为切向阻尼，N·s/m；E 为弹性模量，MPa；μ 为泊松比；ρ 为密度，kg/m3；A 为面积，m2；G 为剪切模量，MPa；为体积模量，MPa。根据上述公式，边界阻尼可由土体的弹性模量、泊松比、密度等参数计算得到。Midas GTS NX 能够根据上述公式自动计算边界阻尼。

4 结语

（1）通过对某两层大跨地铁车站结构进行多工况的计算分析并与地震工况结构响计算结果进行对比表明，地震工况下大跨地铁车站结构配筋设计主要受正常使用极限状态裂缝控制标准控制，抗震工况为非控制工况。

（2）对E3地震作用下的结构响应分析可知，虽满足相关设计规范要求，但由于人工地震波的局限性，建议考虑扩大地震波的选取范围进一步加强复核。

（3）地下结构的地震响应受介质的影响与地面结构的地震响应有明显的差异，但由于建筑功能限制、受力特点的不同，往往容易形成强梁弱柱、局部大面积开洞等结构形式，该结构形式对抗震不利，在设计中需注重对内框架部分竖向传力构件抗震设计的重视，加强抗震构造措施，确保地震作用下“三水准两阶段”抗震设防目标的实现。