地铁车站抗震设计分析

张亮

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013)

地铁车站抗震设计分析

张亮

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013)

以沈阳地铁某站为工程背景，选取地铁车站主体结构建立合适的有限元模型，采用反应位移法对车站结构进行地震力计算，并将静力工况下和地震力工况下的计算结果进行比较，得出地铁车站在地震力工况下的薄弱部位，以及车站结构的控制工况。

地铁车站，反应位移法，抗震分析

0 引言

随着我国经济的迅猛发展，汽车数量快速增加，城市路面交通拥堵问题已日益严重。目前，广大民众出行优先选择具有运量大、速度快、绿色节能等优点的地下铁道公共交通系统，我国已进入地铁建设的黄金时期。

截止目前，我国尚无完善的、针对性的地下结构抗震分析方法及相关设计规范。本文通过理论计算与工程实例的结合，对地铁车站结构进行抗震计算分析，找出地震工况下车站结构薄弱部位，并通过与静力计算结果相比较分析，得出车站结构控制工况。

1 工程概况

沈阳地铁某站标准段宽20.7m，顶板覆土约4.1m，车站底板埋深约17.85 m，车站周边既有高层住宅楼、电力管沟、高压电塔等控制性建筑物。主体结构采用地下两层三跨箱形框架结构，主要结构尺寸如表1所示。站址处土层从上至下依次为:杂填土、粉质粘土、圆砾、砾砂。勘察期间稳定地下水位埋深14.4 m～16.6 m。站址处地震基本烈度为7度，地震动峰值加速度为0.10g，场地类别Ⅲ类，反应谱特征周期Tg=0.35 s。

表1 主体结构构件尺寸表 mm

2 地铁车站结构抗震设计计算

地下结构抗震分析方法［1-5］，地下结构抗震计算方法主要有静力法和动力法两种。静力法是将随时间变化的地震力或地层相对位移以等效的静力或静地层位移的形式施加在地下结构上，再用静力计算模型进行分析计算。常用的静力法有地震系数法和反应位移法。用静力计算方法计算结构内力时，其量值一般偏大于动力法，一般地下结构抗震设计时常采用静力法计算。

地下结构地震中一般不会产生比周围岩层更为剧烈的震动，主要原因:第一，地下结构因包含净空，其外观换算密度通常比周围土体小，从而使得地震发生时，作用在其上的惯性力也较小;其次，即使地下结构物的震动在瞬间比周围土体剧烈，但因其震动受到围岩包裹、约束，很快收敛变小，并与地层震动保持一致。这时，地震对地下结构施加的作用，主要是车站结构随周边围岩一同产生的变形，惯性力的影响则可忽略不计。天然地层在地震时，其震动特性、位移、应变等会随不同位置和深度而有所不同，从而会对其中的地下结构产生影响。这种不同部位位移差会以强制位移的形式作用在结构上，从而使得地下结构中产生应力和位移。以这一概念建立起来的抗震分析方法称为“反应位移法”，其特点是以地下结构所在位置的地层位移作为地震对结构作用的输入。

1)本文采用反应位移法对地铁车站进行抗震设计验算(如图1所示)。

图1 反应位移法车站荷载示意图

图2 弯矩示意图

图3 剪力示意图

2)计算结果与静力工况和地震工况配筋结果对比分析。

本文中车站主体结构主要对如图5所示内力控制截面的地震工况及静力工况(本文直接引用计算结果，计算过程略)配筋计算结果进行比较。

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范5.4节、DG TJ08—2008地下铁道建筑结构抗震设计规范(上海市工程建设规范)规定，地震力作用下，荷载组合时，设计值需考虑承载力抗震调整系数γRE=0.85。

图4 轴力示意图

图5 内力统计断面示意图

由表2可见，计算混凝土截面配筋均为非地震工况下构件的裂缝宽度(根据地铁设计规范裂缝宽度限值迎土面 wmax≤0.2 mm，背土面wmax≤0.3mm)所控制，即满足静力工况下的裂缝宽度要求时均满足地震工况下的承载力要求。

3)罕遇地震工况下的变形验算。

地震荷载、弹簧刚度、剪切力计算、惯性力计算同1)，但需注意计算地震荷载时罕遇地震的地震动峰值位移:

层间位移角验算。

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范要求混凝土结构弹塑性层间位移角限值〈θp〉宜取1/250。本站计算结果:站厅层层间位移角:(0.011 5-0.002 57)/5.9=1/661＜1/250;站台层层间位移角:(0.005 87-0.002 57)/6.7=1/2 030＜1/250。可见，在罕遇地震作用下，车站结构仍满足混凝土结构弹塑性层间位移角小于1/250的要求。

表2 反应位移法地震工况与静力工况内力及配筋结果对比表

3 结语

通过对沈阳地铁某站结构抗震的计算，可得出如下结论:车站结构中柱的地震轴力较大，底板与车站两边下侧墙衔接部位剪力和弯矩均较大，为薄弱部位。车站结构总体满足抗震设防性能要求，截面配筋受裂缝宽度控制。抗震设计的重点是加强构造措施，对于浅埋矩形框架结构的车站，宜采用现浇钢筋混凝土结构，避免采用装配式和部分装配式结构。特别应保证侧墙板与顶板、梁板与柱节点的刚度、强度及延性。加强中柱与顶板、中板钢筋连接，可能的情况下，中柱采用钢骨或钢管混凝土柱代替钢筋混凝土柱，增加延性，提高抗震性能。

［1］ 孙 钧，侯学渊.地下结构1［M］.北京:科学出版社，1987.

［2］ ［日］川岛一彦.地下构造物的抗震设计［M］.东京:鹿岛出版社，1994.

［3］ GB 50157—2013，地铁设计规范［S］.

［4］ 施仲衡，张 弥，王新杰，等.地下铁道设计与施工［M］.西安:陕西科学技术出版社，1997.

［5］ 林 皋.地下结构抗震分析综述(上)［J］.世界地震工程，1990(32):1-10.

On analysis of anti-seism ic design of subway stations

Zhang Liang

(Shenyang Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd，Shenyang 110013，China)

With reference to ametro station in Shenyang，the subway station structure is selected with finite element numericalmodeling，then calculation using the seismic deformationmethod，comparing the stastic calculation result to seismic calculation result，we can take the conclusions that themax stressing place of the station structure in seismic force，and the controlling working condition.

subway station，seismic deformation method，seismic analysis

TU352

A

1009-6825(2015)29-0042-02

2015-08-03

张 亮(1983-)，男，工程师