带抗拔桩的地铁车站结构抗震性能研究

杨少慧

(中铁十六局集团有限公司，北京 100020)

1 工程背景

本工程以某地铁车站为研究对象，该车站为地下两层双岛四线同台换乘站，车站标准段宽为50.9 m、高20.13 m，车站长为400.6 m。车站西段设备区结构形式为单层两跨，车站结构形式为双层五柱六跨。

本车站勘察的控制性勘探孔最大深度为50.00 m。按照地层沉积年代、成因类型、地层岩性及其物理力学性质对地层进行划分，根据本车站拟建场地地层分布情况，共划分为9个大层及亚层。总体看来，地层分布特性为砂土-黏土互层分布，地铁车站主要位于粉细砂、细中砂和粉质黏土中。

2 地震动参数选取

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909-2014)，本工程抗震设防分类为乙类，车站主体抗震等级为二级，按8度抗震设防烈度要求进行抗震验算[1]。根据《建筑抗震设计规范(附条文说明)(2016年版)》(GB 50011—2010)附录A，该站设计地震分组为第二组(特征周期值为0.55 s)[2]。

分别采用地下结构抗震的E2工况(50年超越概率10%的基岩水平地震动时程)，E3工况(50年超越概率2%的基岩水平地震动时程)作为模型的动力荷载输入，如图1所示。考虑数值计算模型要求，将场地土层性质及物理力学参数相似的土层进行合并，共合并成10层土，场地土层性质及物理力学参数详见表1，结构单元参数见表2。

图1 基岩水平地震动时程曲线

表1 土体物理力学参数表

表2 结构单元参数表

3 数值分析模型建立

采用midas GTS对该工程进行模拟，midas GTS动力模块可以进行完全动力学分析，基于显式有限差分法求解系统动力学方程。方程可与结构单元模型进行耦合求解，从而可以求解振动中土与结构相互作用的问题。土体采用摩尔库伦本构，结构采用弹性本构，采用粘弹性吸收边界，考虑地震波在土体中的传播特性，模型的侧边界取3倍的结构宽度，这就避免了地震波反射对结构的影响，模型底边界取至基准面并不小于3倍的结构有效高度，上表面取至地表。建立的数值模型尺寸X×Y×Z=350 m×36 m×60 m，模型节点数51 885个，单元数102 149个；土体采用实体单元模拟，墙、板采用板单元模拟，梁、柱、桩采用梁单元模拟，数值模型如图2。

图2 土层结构模型图

4 数值模拟结果分析

模型建立完毕之后，首先计算结构特征值，得到结构的特征周期并输入到动力计算中，沿X方向在模型底部施加动力荷载。

4.1 结构位移对比分析

带桩基的车站主体结构X向水平位移最大值为10.41 mm，最大值位置一般发生在车站顶板和侧墙顶部，其他位置上的位移则较小。不带桩基的车站主体结构X向水平位移最大值为10.49 mm，最大值位置一般发生在车站顶板和侧墙顶部，而其他位置上的位移则较小。

E2工况和E3工况下的地铁车站层间位移差及位移角对比见表3、表4。由此可以看出，不管是带桩基的地铁车站还是不带桩基的地铁车站，在地震荷载作用下二者都满足层间位移角的限制，但是对比地铁车站层间位移差及层间位移角这两项指标可以发现，在E2工况下，带桩基的地铁车站与不带桩基的地铁车站数值线接近；在E3工况下，带桩基的地铁车站比不带桩基的地铁车站数值偏小，由此可知，抗拔桩对于地铁车站的抗震性能还是起到了积极的作用。

表3 E2工况下地铁车站层间位移差及层间位移角对比表

表4 E3工况下地铁车站层间位移差及层间位移角对比表

4.2 结构内力对比分析

带桩基的地铁车站结构的最大弯矩为1 588 kN·m，不带桩基的地铁车站结构的最大弯矩为2 248 kN·m，由此可知，在动力荷载下，抗拔桩对地铁车站结构弯矩的减小幅度比较大。

地铁车站中柱为边长1 000 mm×1 400 mm的混凝土柱，带桩基的地铁车站中柱最大剪力为Q=271 kN，不带桩基的地铁车站中柱最大剪力为Q=279 kN。由此可知，在动力荷载作用下，抗拔桩对于地铁车站中柱的剪力基本没有影响。

4.3 抗拔桩内力分析

在动力荷载作用下，抗拔桩剪力图如图3所示。对车站底部设置抗拔桩的弯矩进行提取，最大弯矩值为M=2 263.42 kN·m，最大弯矩出现在抗拔桩的顶部，桩顶弯矩的较大值分布在结构的边缘处，较小值分布在结构的中心处；地铁车站的抗拔桩为φ1 500 mm的混凝土桩，最大剪力为Q=970 kN，最大剪力出现在抗拔桩的顶部，桩顶剪力的较大值分布在结构的角点处，较小值分布在结构的中心处。

图3 拔桩剪力图

5 结 语

本文基于某地铁车站工程，采用MIDAS-GTS软件建立有限元分析模型，对带抗拔桩的地铁车站和不带抗拔桩的地铁车站进行抗震性能对比分析，得到以下结论。

(1)抗拔桩对地铁结构的位移有减弱的作用，通过考查层间位移差和沉降位移角两个参数得知，在E2工况下抗拔桩对地铁结构的位移的减弱作用不明显，在E3工况下抗拔桩对地铁结构的位移有明显的减弱作用。

(2)通过对比带桩基地铁车站结构和不带桩基地铁车站结构的弯矩可知，抗拔桩对于地铁车站结构的弯矩有明显的减弱作用。

(3)通过对比带桩基地铁车站结构和不带桩基地铁车站结构的中柱剪力可知，抗拔桩对于地铁车站结构的中柱剪力基本上没有影响。

(4)在动力荷载作用下，抗拔桩的最大弯矩和最大剪力都出现在桩顶处，且桩顶弯矩的较大值分布在结构的边缘处，较小值分布在结构的中心处，桩顶剪力的较大值分布在结构的角点处，较小值分布在结构的中心处。

(5)虽然抗拔桩对地铁车站结构的抗震性能有积极的作用，在动力荷载下可以对地铁车站结构起到一定的保护作用，但其本身也会产生较大的弯矩和剪力，这对抗拔桩本身的受力情况是不利的，所以有必要对地铁车站结构的抗拔桩进行动力分析计算。