岛式地铁车站结构地震响应分析

吕立宁

（山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室 山西 太原 030006）

0 引言

近年来，随着城市化进程速度的加快，地铁在城市公共交通系统中发挥了不可替代的作用，其安全性也日益引起大家关注，尤其是地震中结构的安全性尤为关键。

地震是地壳运动的结果，也是不可避免的。地面结构的抗震研究起步较早，各国也都制定了相应的抗震设计规范。1995年日本阪神大地震中，神户市的地下结构遭受了较大破坏，地铁车站结构破坏严重。阪神地震后，众多学者对地下结构的地震响应特性开展了广泛的研究。土-结构动力相互作用是一个复杂课题，模型建立、计算参数选取、地震波选取等都需要根据实际状况确定[1]。

本文基于土-结构动力相互作用理论，建立有限元模型，采用时程分析方法对典型岛式地铁车站结构的地震响应进行分析。

1 工程概况

取广州地铁二号线某车站，车站建筑形式为岛式双层三跨钢筋混凝土框架结构，采用明挖施工方法建造。车站结构标准段横截面如图1所示，土体参数如表1所示。

该车站处于软土地层中，顶板埋深2.5m，为典型的软土浅埋地下结构。结构抗震设防烈度为7度，地震动加速度峰值为0.10g。结构主体框架材料为C30混凝土，立柱为1.0m×0.8m矩形截面柱，纵向柱间距为9.5m，立柱材料为C45混凝土。车站结构有限元模型如图2所示，模型中将立柱考虑为等效连续墙体。计算边界按宽度方向取6倍结构总跨度，深度方向取40m，模型计算尺寸为144m×40m。

地震波选取El-Centro波、唐山波、天津宁河波这几种典型地震波作为地震输入。进行水平向地震响应分析时，输入El波、唐山波、天津波南北向加速度时程，加速度峰值调整为1.0m/s2。进行双向地震响应分析时，只输入天津波南北向和垂直向加速度时程，南北向地震波峰值调整为1.0m/s2，垂直向地震波不做调整。

为便于对计算结果进行分析和说明，规定了代表结构位置的几个关键节点编号，如图3所示。

图1 车站结构截面图(单位：m)

图2 土-车站结构有限元模型

图3 结构关键节点编号

表1 土体参数

表2 结构水平位移(单位：mm)

表3 水平向地震作用下结构内力

2 水平向地震波作用下结构响应

在水平向地震波作用下，由于竖向位移较小，只讨论结构的水平位移。结构水平位移峰值计算结果如表2所示。计算结果表明：天津波的位移最大，相对位移也最大，上下层相对位移峰值分别为5.78mm、9.85mm，层间位移角为1/957、1/710；El波的位移最小，相对位移也最小，上下层相对位移峰值分别为5.22mm、8.54mm，层间位移角为1/1053、1/820。各层间位移角均小于《建筑抗震设计规范》规定的弹性层间位移角1/550的限值[2]。

在三种地震波作用下，车站结构内力峰值计算结果如表3所示。内力最大的截面出现在侧墙与底板相交处，El波的内力峰值最小，弯矩峰值为383.49kN·m；天津波的内力峰值最大，弯矩峰值为416.34kN·m，比El波高出8%。

3 双向地震波作用下结构响应

同时输入天津波南北水平向和垂直向加速度时程，结构水平层间相对位移峰值结果见表4，内力峰值结果见表5。双向地震波作用下，结构层间相对位移峰值增加了7%。结构内力变化较大，侧墙与底板交角位置同样为最大内力控制截面，其中弯矩峰值达572.69kN·m，与水平单向地震波作用相比增加27%。立柱内力变化较大，下柱底部弯矩峰值达196.79kN·m，与水平单向地震波作用相比增加45%。

表4 结构水平层间相对位移(单位：mm)

4 小结

表5 双向地震作用下结构内力

在同一加速度峰值的不同地震波时程作用下，地下车站结构的响应是不同的，在地下结构抗震设计中应充分考虑这一差异。与水平单向地震波作用相比，双向地震波作用下结构内力增加较大，在结构抗震计算中应考虑竖向地震波对结构的影响。结构底板与侧墙交角截面内力最大，设计中应作为控制截面，设计中应将立柱作为关键部件进行加强，可采用加肋劲性柱或钢管混凝土柱等，以提高结构的强度和延性。

［1］韩雪兵.黄土地区地铁施工地层参数敏感性分析[J].山西交通科技,2012,4：50-52.

［2］中国人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.