轨道交通地下三层车站结构抗震分析

李志波,薛尚铃,周海鹰,余 超

(中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆400013)

随着城市轨道交通的快速发展，轨道交通地下车站也大量建设。地下工程结构静力荷载普遍较大，结构设计往往偏于保守，加上地震作用时有土体的约束作用，因此一般认为地下工程结构普遍具有优于地面结构的抗震性能和安全度。目前地震区轨道交通地下车站结构抗震主要依据《铁路工程抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》进行设计。很多低烈度区的地下结构甚至并不进行地震计算，仅从构造措施上进行加强。

1995年阪神地震中，未进行抗震设计的神户大开地铁车站在地震中中柱垮塌造成地面塌陷；2008年汶川地震中，紫坪铺重载公路的龙池隧道中部深埋部分中接缝拱起破坏，分析原因是由于没有设置仰拱，结构不封闭，使深埋隧道底部产生挤压破坏。随着人们对地震作用认识的不断加深，特别是地震工程经验的不断积累，地下工程结构的抗震设计越来越受到重视。2011年建设部发布了《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点(地下工程篇)》，对于建筑面积超过10 000 m2的城市轨道交通地下车站工程，明确要求进行专门的抗震设防设计和论证，以确保地下车站的抗震性能满足要求。

1 工程概况

重庆市轨道交通三号线北延伸段空港广场车站为地下三层侧式站台车站。车站主体部分建筑面积为10 269 m2，采用三层二跨现浇钢筋混凝土框架结构，采用明挖法施工。车站主体结构设计使用年限100年；安全等级为一级；抗震设防烈度为6度，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度值为0.05 g，按7度采取抗震措施，地下结构抗震等级为三级；车站结构按6级人防设防；车站场地类别为Ⅲ类，为抗震一般地段。

车站结构总宽度为23.35 m，总高度23.95 m，其中负一层高6.95 m，负二层高7.15 m，底层高9.85 m,顶板上覆土厚为3.513 m。顶板厚度800 mm，中板厚度400 mm，底板厚度1 000 mm，侧墙厚度900 mm，中柱900 mm×1 200 mm间距8 m。车站结构中柱混凝土采用C50，其余均采用C35混凝土。

空港广场站结构抗震设防分类为重点设防类(乙类)，抗震设防目标为：在多遇地震作用和设计地震作用下，结构不破坏或轻微破坏，能保持正常使用功能，结构处于弹性工作阶段，不会因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全；在罕遇地震作用下，结构可能破坏，经修补短期内能恢复正常使用功能，允许结构局部进入弹塑性工作阶段。

空港广场站结构简图、地质情况和荷载布置见图1、图2。

图1 车站结构简图及地层布置

图2 车站计算断面荷载布置

2 车站结构抗震分析

空港广场站为分布均匀、规则且具有对称轴的纵向较长的地下结构，按照《铁路工程抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》的相关规定，可以采用等效静力法(拟静力法)进行结构抗震设计。

抗震分析采用MIDAS/GEN Ver7.80程序，对车站结构标准断面的内力进行平面二维分析计算。其地震作用工况荷载如图3。

图中惯性力：

F1=ηm1Ag/HF2=ηm2Ag/BPi=ηmiAg

图3 地震等效静力法图示

式中：η为水平地震作用修正系数，岩石地基取值0.2，非岩石地基取值0.25;F1为侧墙自重惯性力；F2为顶板覆土自重(包括地面超载)惯性力;Pi为作用在各层板处的惯性力;m1、m2分别为侧墙、上覆土(等效)质量;mi为各层板(含本层梁及上下各半层柱)自重(包括活载);Ag为地震动峰值加速度;H、B为结构高度、宽度。

经计算：

F1=0.45；F2=1.4 ；P1=9.28；P2=4.98；P3=5.04；P4=11.5；△e=1.39～10.87

竖向基床系数取Kv=50×104kN/m3，水平向基床系数取Kh=12×104kN/m3。

荷载组合根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)(2006年版)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)、《轨道交通工程人民防空设计规范》(RFJ 02-2009)的规定及可能出现的最不利情况确定，组合类型如：永久荷载的组合、永久荷载+可变荷载组合、永久荷载+人防荷载组合、永久荷载+可变荷载+地震荷载组合。荷载组合系数见表1。

表1 荷载工况组合及分项系数表

注：当永久荷载为有利荷载时，组合系数取1.0；当可变荷载为有利荷载时，不计入荷载组合；恒载控制的基本组合可变荷载组合系数取0.7，准永久组合可变荷载的准永久组合系数取0.8。

在不同的荷载工况下，车站主体结构内力见图4～图12。

图4 基本组合(弯矩)

图5 人防组合(弯矩)

图6 罕遇地震组合(弯矩)

图7 基本组合(轴力)

图8 人防组合(轴力)

图9 罕遇地震组合(轴力)

图10 基本组合(剪力)

图11 人防组合(剪力)

图12 罕遇地震组合(剪力)

图13 罕遇地震组合(位移)

在罕遇地震作用下，结构层间最大水平位移0.011 8 m，最大层间位移角为1/555，满足设计变形要求(图13)。

在罕遇地震作用下，结构正截面受弯承载力验算见表2。

表2 正截面受弯承载力验算

从计算结果可知，在罕遇地震作用下，构断面尚未达到最大承载能力极限状态，结构仍处在弹性工作状态。由于地下车站兼具防空功能，人防级别较高，地震荷载并非最不利控制荷载，结构的最不利工况组合为人防组合。

最不利工况下中柱轴压比(中柱900 mm×1 200 mm，C50fc=23.1 N/mm2)：

2314×1000×8/(23.1×900×1200)=0.74<0.8,满足抗震设计要求。

3 结论

空港广场站在罕遇地震作用下，结构断面尚未达到最大承载能力极限状态，结构仍处在弹性工作状态。由于地下车站兼具防空功能，人防级别较高，结构断面也相对较大。在地震设防烈度较低的地区地震荷载往往并非最不利控制荷载，结构的最不利工况组合为人防组合。结构设计时，应对两种工况组合进行计算分析，确定结构的最不利受力状态。

[1] 庄海洋,程绍革,陈国兴.阪神地震中大开地铁车站震害机制数值仿真分析[J].岩土力学，2008,29(2):245-249

[2] 曹炳政,罗奇峰,马硕,等.神户大开地铁车站的地震反应分析[J].地震工程与工程振动，2002,22(4):102-107

[3] 刘如山,胡少卿,石宏彬.地下结构抗震计算中拟静力法的地震荷载施加方法研究[J].岩土工程学报，2007,29(2):237-242

[4] 李英民,王璐，刘阳冰,等.地下结构抗震计算地基弹簧系数取值方法研究[J]. 地震工程与工程振动，2012,32(1):106-113

[5] 宋林,孟昭博,吴敏哲,等.双层岛式地铁车站结构地震反应分析[J].世界地震工程，2010,26(2):187-192

[6] 任强.基于ANSYS的某明挖车站抗震分析[J].现代商贸工业，2010,(11):334-335

[7] 庄海洋,陈国兴,张菁莉.基于子结构法的地铁车站地震反应分析[J].岩土力学，2005,26(增):227-231

[8] 吕稚知.地铁车站抗震设计探讨[J].现代商贸工业，2010,(2):284-285

[9] 孙超，薄景山，齐文浩，等.地下结构抗震研究现状及展望[J].世界地震工程，2009,25(2):94-99