超浅埋大跨度Y形柱双层地铁车站三维地震响应分析

李积栋，陶连金，安军海，郭飞，闫冬梅



超浅埋大跨度Y形柱双层地铁车站三维地震响应分析

李积栋，陶连金，安军海，郭飞，闫冬梅

(北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京，100124)

以北京地铁6号线新华大街站公共区Y型柱双层地铁车站为工程背景，利用 FLAC3D有限差分程序数值模拟分析，研究超浅埋大跨度Y形柱双层地铁车站结构，尤其是Y形柱的地震响应特性。研究结果表明：场地土层对地震动有明显的放大作用，边墙及Y形柱上部的相对水平位移和加速度均比下部的大；在人工地震波作用下，边墙及Y形柱中板以下结构相对水平位移很小，甚至在Y形柱下方出现微弱的反拱现象；Y形柱右侧叉支竖向位移明显大于左侧位移；Y形柱叉支顶部水平应力远大于其他部位的水平应力，且左右两侧叉支的应力−时程存在明显的相互滞后现象；加速度傅里叶谱与车站埋深、输入地震动强度、地震动特性有关，其中随着车站埋深增加，加速度反应的傅里叶幅值依次减小，中低频傅里叶幅值逐渐突出并产生次主频，且次主频傅里叶幅值随着车站结构埋深的增加而逐渐增大，频谱曲线的峰点频率保持不变。

Y形柱；地震响应；反拱现象；滞后现象；次主频

过去普遍认为，地下结构具有较好的抗震性能，但全球范围内多次地震震害的破坏现象表明，在地震作用下，现有的地下结构并不安全[1−2]。1995年日本阪神地震中，大量地下结构均发生严重的破坏，其中大开地铁车站破坏最严重，大部分中柱几乎完全坍塌，发生严重的压剪破坏，由于中柱倒塌，导致顶板坍塌破坏和上覆土层沉降，最大沉降量达2.5 m，造成了严重的经济损失和人员伤亡[3−5]。随着地铁施工技术的日渐成熟，在设计中陆续出现具有大跨度、高断面、异形柱等各种特色的地下结构形式，以满足人们对城市地下结构实用性、美观等多方位的需求[4−7]。然而，国内外学者对大跨度，异形柱集于一体的复杂地铁车站结构形式的抗震性研究较少，尤其是关于异形柱在地震作用下的动力响应的相关文献更少[8−15]。因此，研究大型复杂地铁车站在地震中的结构变形和抗震性能非常必要。在此，本文作者基于FLAC3D有限差分软件，以北京地铁6号线新华大街站公共区换乘节点Y形柱双层地铁车站为研究对象，选取新华大街站人工波、日本阪神地震波以及汶川卧龙潭地震波，对大跨度Y形柱双层地铁车站进行动力时程分析，探讨其在三维地震作用下的地震动响应。

1 三维数值模型

1.1 模型建立

新华大街站为北京地铁6号线快慢线中转换乘站，周边为通州核心区重点开发地带，远期与S6线换乘，车站为双岛四线车站，采用明挖法施工，两端区间采用盾构法施工。公共区换乘节点为Y形柱双层地铁车站，顶板覆土厚度不足3 m，采用Y形柱受力体系，断面宽41.1 m，高26.5 m，底柱间距19.4 m，分叉跨度8.4 m；顶板厚0.9 m，底板厚1.6 m，中板厚0.4 m，边墙厚0.9 m；中柱直径为1.2 m，分叉处直径由1.1 m渐变到0.75 m。三维模型长×宽×高为200 m×60 m×50 m，车站结构周边网格加密，如图1所示，土体和车站结构均采用实体单元，参数见表1和表2。同时，为了便于分析Y形柱双层车站地震动响应，在车站横断面布置了相应监测点，如图2所示。

(a) 整体网格模型；(b) 车站模型

图2 监测点布置图

表1 土层参数

表2 结构参数

1.2 模型动力参数

模型在静力计算结束后得到初始应力场后，便可进行动力计算。在模型底部输入水平振动地震波，模型顶面采用自由面，底部采用由Lysmer和Kuhlemeyer提出的静态边界条件(即黏性边界、吸收边界)，同时模型周边采用自由场边界，以使之产生与无限自由场地相同的效果，以达到吸收入射波的目的，阻尼选取瑞利阻尼，取值为0.5。

1.3 地震波输入

动力分析选用的新华大街站人工波、日本阪神地震波以及汶川卧龙潭地震波，其中，人工波加速度峰值分别为0.18和0.40(为动力加速度)地震波加速度时程曲线和傅里叶幅值如图3所示。

(a) 人工波加速度时程曲线；(b) 阪神波加速度时程曲线；(c) 汶川卧龙潭波加速度时程曲线；(d) 人工波傅里叶幅值；(e) 阪神波傅里叶幅值；(f) 汶川卧龙潭波傅里叶幅值

2 计算结果分析

2.1 位移分析

地震动作用下地基会发生较大的侧向位移，由于土−车站结构的相互作用影响，车站结构通过岩土介质作用发生动变形。为了便于分析新华大街站地铁车站的变形状态，现将车站沿埋深方向各部位的水平位移与车站底板水平位移的差值定义为相对水平位移。

场地土层对地震动有明显的放大作用, 尤其是地面以下的浅埋结构, 相对水平位移明显大于深部；在人工波作用下，Y型柱的相对水平位移随着输入地震波强度的增加逐渐增大，且中板以下结构相对水平位移非常小，与车站底板的水平振动位移近乎相同，但随着地震波强度的增大而出现微弱的反拱现象；场地波作用下，Y形柱的相对水平位移从深部往上依次递增，并未发现反拱现象，Y形柱各工况下的相对水平位移如4所示，图中数值为相对水平位移。

(a) 人工波(0.18g)；(b) 人工波(0.40g)；(c) 阪神波；(d) 卧龙潭波

由于受到周围土体的约束作用以及车站结构自身刚度的影响，车站边墙的侧向水平位移整体性较强。在人工波作用下，车站边墙结构中板以下相对水平位移非常小，可能是此处地层条件与地震波特性相互作用的结果；场地波作用下车站边墙相对水平位移较为明显的自下而上的递增规律，如图5所示。

1—人工波(0.18g)；2—卧龙潭波；3—阪神波；4—人工波(0.40g)

水平地震动作用下应考虑Y形柱叉支部位的竖向位移，如图6所示。人工波作用下，叉支沿竖直方向的最大位移向下，而场地波作用下相反；右侧叉支的最大竖向位移明显比左侧的大，同时表现为右侧叉支顶部竖向位移比底部的大，左侧叉支底部竖向位移比顶部的大。由此可见：在Y性柱右侧，尤其是右侧叉支顶部更易成为抗震的薄弱环节，右侧叉支一旦发生屈服破坏，左侧叉支将承受更多顶部压力和水平剪切力，而单个叉支很难独自承受Y形柱上端的全部应力，从而很快出现弹塑性变形，造成整个Y形柱结构失稳，因此在抗震设计时应提高右侧叉支顶部的抗震能力。

图6 分叉支竖向位移

2.2 应力分析

表4所示为强震作用下，Y形柱双层地铁车站边墙、Y形柱、底层中柱各测点的最大水平应力。由表4可知：

1) 在相同地震波作用下，车站结构水平应力随着输入地震波强度的增加而增大；在不同地震波作用下，由于输入地震波的特性不同，即使输入地震波强度相对较小，依然能产生较大的水平应力，如人工波0.40和阪神波虽然输入加速度峰值比卧龙波的小，但前两者产生的最大水平应力比后者的大。

2) 相同截面高度，Y形柱各测点的水平应力比边墙的大，其中Y形柱叉支顶部的水平应力远比其他部位的大。其主要原因可能是车站埋深较浅且Y形柱未受到周围土体介质的约束，在强震作用下结构振动在Y形柱的两端产生较大的弯矩，同时由于Y形柱上方为一75º的叉支，相对Y形柱根部结构性及稳定性更强，因此，在强震作用下承担较大的应力。

3) 车站中板与底板间的底层中柱受地震动强度及特性影响较小，在不同地震动条件下，底层中柱顶部与根部最大水平应力变化微弱。

表4 测点最大水平应力

图7所示为人工波(0.40)作用下Y形柱两叉支顶部的水平应力−时程曲线。从图7可知：Y-1的拉应力比Y-2的大，而压应力比Y-2的小，且在10 s后出现最大拉应力和最大压应力；Y-1和Y-2的应力有明显的相互滞后现象。

1—测点Y-1；2—测点Y-2

2.3 加速度分析

场地土对地基传递的地震动有放大效应，无论输入何种地震动波，均是上部测点加速度放大系数最大，即上部测点的加速度最大；在同一场地条件下，加速度放大系数与地震动特性有关，即不同地震波输入地震波强度大，加速放大系数可能大，也可能小；在同一地震波(如人工波)下，输入地震波强度越大，加速度放大系数反而越小，如图8所示。

1—人工波(0.18g)；2—卧龙潭波；3—阪神波；4—人工波(0.40g)

随着输入地震波峰值加速度的增加，车站结构同一测点，频谱曲线形状无明显变化，但加速法的傅里叶幅值明显增大，且增大倍数与输入地震波峰值加速度变化倍数大致相同；同一地震波条件下，随着车站结构埋深的增加，边墙加速度反应的傅里叶幅值依次减小，中低频傅里叶幅值逐渐突出并产生次主频，且次主频傅里叶幅值随着车站结构埋深的增加而逐渐增大，频谱曲线的峰点频率保持不变。

(a) B-1(人工波0.18g)；(b) B-3(人工波0.18g)；(c) B-5(人工波0.18g)；(d) B-1(人工波0.40g)；(e) B-2(人工波0.40g)；(f) B-3(人工波0.40g)；(g) B-4(人工波0.40g)；(h) B-5(人工波0.40g)

3 结论

1) 此Y形柱双层地铁车站属于超浅埋地下结构，场地土层对地震动有明显的放大作用，无论是边墙、Y形柱还是底层中柱，均是上部相对水平位移远比下部的大；在人工地震波作用下，边墙及Y形柱中板以下结构相对水平位移很小，甚至在Y形柱下方出现微弱的反拱现象。

2) Y形柱叉支部位竖向位移在抗震分析中亦不能忽略，人工波作用下，叉支沿竖直方向的最大位移向下，而场地波作用下相反；右侧叉支的最大竖向位移明显比左侧的大，同时表现为右侧叉支顶部竖向位移比底部的大，左侧叉支底部竖向位移比顶部的大。

3) 各构件连接处附近应力集中现象较为明显，尤其是Y形柱叉支顶部，其水平应力远大于其他部位；在人工波作用下，Y形柱左侧叉支拉应力比右侧的大，压应力比右侧的小，且两者有明显的相互滞后现象；地震动特性及强度对车站边墙及Y形柱水平应力有显著影响，而底层中柱受地震动强度及特性影响较小。

4) 在同一场地条件下，加速度放大系数与地震动特性有关；同一地震波(如人工波)输入强度越大，加速度放大系数越小。

5) 同一测点随着输入地震波峰值加速度的增加，车站结构频谱曲线形状无明显变化，加速度的傅里叶幅值明显增大；在同一地震波条件下，随着车站结构埋深的增加，边墙加速度反应的傅里叶幅值依次减小，中低频傅里叶幅值逐渐突出并产生次主频，且次主频傅里叶幅值随着车站结构埋深的增加而逐渐增大，频谱曲线的峰点频率保持不变。

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Analysis of 3D seismic response of super-shallow and large-span Y-shaped column double-layer subway station

LI Jidong, TAO Lianjin, AN Junhai, GUO Fei, YAN Dongmei

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Taking Y-column double subway station of Xinhua Street Station in public areas of the Beijing Metro Line 6 as engineering background, the numerical model was developed with FLAC3D finite difference program, and the seismic response characteristics of the super-shallow and large-span Y-shaped column double-layer subway station were analyzed. The results show that the site soil has obvious amplification effect on ground motion, and the relative horizontal displacement and acceleration of the upper-part are greater than those of the lower-part on the sidewall and Y-shaped column. Under artificial wave, the relative horizontal displacement of the bottom of the side wall and Y-shaped column is very small, and the weak contra-arch phenomenon even occurs on the bottom of the Y-shaped column. For the vertical displacement, the right fork of Y-shaped column is significantly greater than that of the left. For the horizontal stress, the top of fork-branch is much greater than that of other parts, and the stress–schedule of both sides of fork-branch has an obvious hysteresis phenomenon. The acceleration Fourier spectrum relates to station depth, intensity of earthquake wave and the characteristics of seismic waves. The Fourier spectrum value gradually decreases with the increase of depth of station and the low-frequency Fourier is gradually prominent and producing sub-frequency. At the same time, with the increase of station structure buried depth, the Fourier value of hypo-primary frequency increases gradually and the peak frequency of the spectral curve remains unchanged.

Y-shaped column; seismic response; contra-arch; hysteresis phenomenon; hypo-primary frequency

TU435

A

1672−7207(2015)02−0653−08

2014−02−26；

2014−04−20

国家自然科学基金重点资助项目(51038009)；北京市自然科学基金重点资助项目(8111001)(Project (51038009) supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China; Project (8111001) supported by the Key Program of the Natural Science Foundation of Beijing)

李积栋，博士研究生，从事岩土工程与地下工程等研究；E-mail：ljd0911@emails.bjut.edu.cn

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.038

(编辑 赵俊)