轨道交通工程地下车站结构抗震设计

张有桔, 王 飞, 沈洪波

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)



轨道交通工程地下车站结构抗震设计

张有桔, 王 飞, 沈洪波

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

综合抗震设计相关规范规定，结合抗震专项设计的要求，在分析抗震设防类别、等级及烈度、论证对象的判定基础上，明确基于性能要求的抗震设防目标，重点论述抗震专项设计中常用的反应位移法和时程分析法，通过对典型车站的抗震分析，说明抗震专项设计中主要计算过程和结论，以期为同类工程设计提供参考依据。

轨道交通；地下车站；抗震设计；设防目标；反应位移法；时程分析法

0 引 言

城市轨道交通已经成为城市极为重要的交通基础设施，所以通过抗震设计，使轨道交通工程具有合理的抵抗地震破坏作用的能力，确保城市轨道交通结构的地震安全，尽可能减轻轨道交通结构因地震导致性能降低给城市轨道交通的正常运行造成障碍，对城市交通秩序、城市经济和人们社会活动、生命及财产安全都是非常重要的。

文献[1-5]规定，对抗震设防地区的城市轨道交通结构必须进行抗震设计。本文重点从抗震设防类别、等级及烈度、论证对象的判定、抗震设防目标和抗震论证方法等方面，阐述合肥市城市轨道交通常见的地下车站结构抗震专项设计思路和方法。

1 抗震设防目标

1.1 抗震设防类别、烈度及等级

根据文献[1]要求，城市轨道交通结构应根据其使用功能的重要性分为标准设防类(丙类)、重点设防类(乙类)和特殊设防类(甲类)3个抗震设防类别。

对于一般日平均客流量未超过50万人次的大型综合枢纽车站，抗震设防分类均为重点设防类(乙类)。对重点设防类地下车站结构，其设防标准应满足文献[2]规定的本地区抗震设防要求确定；对进行过地震安全性评价的，应采用经国家地震工作主管部门批准的建设工程抗震设防要求确定，但不应低于本地区抗震设防要求确定的地震作用。

对重点设防类地下车站，框架结构抗震等级为二级，中柱轴压比≤0.75，应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施。

1.2 论证对象的判定

根据文献[3]中的判定要求，由于地下车站工程一般建筑面积均大于10 000 m2，可以判定地下车站工程均应作为单体工程进行抗震专项论证分析。

1.3 抗震设防目标

综合各规范规定要求[1-5]，考虑到轨道交通地下车站的重要程度和震后修复难度，地下车站抗震设计指导思想是基于性能的抗震设计，即根据所选定的性能目标进行设计，使结构在规定的设计地震动水平下的行为满足预期的抗震性能目标。

2 抗震设计论证方法

2.1 分析方法比选

对于轨道交通地下车站结构的地震作用分析和计算常用的方法有地震系数法、反应位移法、反应加速度法和时程分析法等[6]。

综合考虑计算精确度和计算方法的易用性，结合国内同类城市已完成的抗震专项论证报告所采用的分析方法，目前地下车站的抗震专项设计主要采用平面反应位移法和时程分析法，对于结构上部局部建有建(构)筑物、沿结构纵向土层分布有显著差异、沿纵向结构型式有较大变化时、同时在平面和竖向2个方向结构变化较多或复杂时，需要补充三维反应位移法计算和三维时程分析，其中以反应位移法为主要设计依据，而时程分析法作为补充验证。

2.2 车站反应位移法计算模型

采用反应位移法进行地下结构横截面的抗震计算时，需考虑结构惯性力、土层相对位移和结构周围剪力3种地震作用[7]，结构惯性力根据地震作用下的加速度直接施加。文献[8-10]研究表明，地下结构在地震作用下随周围土体一起振动，加速度、位移等结构反应与周围土体基本一致。所以土层相对位移和土层剪力的竖向分布，可以不考虑车站结构的影响，根据地层的一维波动模型计算。

一维波动模型计算中，所需场地土的静、动力性能参数有土层波速、土的重度、动剪切模量及阻尼比与剪应变关系曲线、基岩处地震加速度时程，参数按工程场地地震安全性评价报告取值。计算场地所取计算基准面均选取剪切波速大于500 m/s的基岩，且基岩面深度大于底板最大埋深。

对于地铁车站结构的抗震设计，一般仅计算沿结构横向的水平地震作用，将周围土体作为支撑结构的地基弹簧。地铁车站的纵向尺寸比横断面尺寸大很多，因此，可将实际情况的三维模型简化为二维平面模型进行分析，结构采用梁单元进行模拟，如图1所示。

图1 地下车站反应位移法计算模型

2.3 二维平面时程分析法

基于抗震性能设计的有关计算方法的要求，对抗震性能要求为Ⅱ级时(E3地震作用)，需补充地震动力时程分析，反应地震过程中各时刻结构的内力和变形状态。一般认为，结构在重现期2 475年地震动作用下已处于极限状态，仅计算其弹塑性变形，以控制其结构整体延性，而不再验算构件内力。

动力计算中边界条件选用粘弹性动力人工边界，即在人工边界处用并联弹簧-阻尼器系统等效替代被截断的半无限介质传播性质[11]。

弹塑性时程分析由于人工边界的设置以及土动力非线性参数等方面较为复杂且具有不确定性，同时计算工作量较大，对其计算结果的评价也比较困难，一般在地下工程实际运用中较少使用。实际计算中，根据文献[4]规定的简化算法进行计算，即先分析结构在E3地震作用下的弹性位移，弹塑性位移根据弹性位移乘以增大系数估算，考虑到楼层屈服强度系数较大，增大系数一般偏于保守取为1.3。

3 典型车站抗震分析

3.1 工程概况

结合合肥市轨道交通3号线抗震专项设计，选取紫云路站进行抗震分析。车站采用明挖顺筑法施工，车站总建筑面积约为12 000 m2，车站主体总长度为195.1 m，标准段总宽度为19.7 m。主体结构采用2层单柱双跨钢筋混凝土箱形框架结构，顶板覆土约为3 m，结构总高为13.2 m，纵向标准柱跨为9 m。

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地下车站范围内以黏土和风化泥质砂岩为主，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅱ类，基本设计地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s。

主体结构标准段横断面如图2所示。

图2 主体结构标准段横断面图

3.2 反应位移法分析结果

采用Midas NX进行一维波动模型分析，计算得到土层位移和剪力随深度的变化，结果见表1所列。

表1 土层位移及剪力表

(1) 采用SAP84进行平面反应位移法分析，计算得到E2地震作用下框架结构每延米内力及变形，结果如图3所示。

图3 E2地震作用下各参数变化

在E2地震作用下，最大弹性层间位移角限值为1/1 131，满足规范要求限值1/550，结构处于弹性工作阶段，满足工程抗震设防目标。

除车站框架柱外，各构件正截面承载力配筋均由准永久荷载组合作用下的裂缝计算控制，抗震工况不起控制作用；各构件的拟定截面均满足抗震工况下的最小受剪截面要求。

在E2地震作用下，对中柱轴力进行调整后，车站的中柱轴压比满足规范限值要求(≤0.75)，其中中柱轴力调整系数参照文献[12]中基于振动台实验对反应加速度法计算的各构件内力进行取值，相对上海软土地区，考虑到合肥地区基岩埋深相对较深，震害亦较小，中柱轴力调整系数按上限取为1.6。

(2) 在E3地震动作用下，车站标准段主体结构的变形计算结果如图4所示，最大弹性层间位移比为1/565，弹塑性层间位移比1/435，满足规范要求限值1/250。

图4 E3地震作用下水平位移值

3.3 时程分析法分析结果

计算采用Midas/GTS，按弹性模型分析在E3地震作用下结构位移随时间的变化规律，基准面取中风化泥岩顶面，埋深约为30 m。

根据《合肥市轨道交通3号线工程地震安全性评价报告》，本次计算分析时仅考虑水平地震作用的影响，选取3条人工波进行计算，采用地震动时程的基准期为50年，超越概率为2%，基岩处加速度峰值为146.7 gal，时程采样间隔为0.02 s，地震波波形如图5所示。

图5 基岩水平向加速度时程曲线

分析显示，最大相对水平位移发生在9.5 s时刻，为7.15 mm。各点之间水平位移基本保持同步，差异较小，呈现出整体振动趋势。提取9.5 s时刻的位移云图，如图6所示。

根据时程位移曲线，车站结构在E3地震作用下结构最大弹性层间位移比为1/1 426，弹塑性层间位移比为1/1 096，满足规范要求限值1/250。对比反映位移法计算结果，时程分析计算得到的最大层间弹性位移相对较小，规律与文献[6-7]研究结论一致。

图6 E3地震作用下结构水平位移云图

4 结 论

(1) 地下车站抗震专项设计的基础资料除常规设计资料输入外，还应补充工程场地地震安全性评价及工程地质灾害危险性评估等。

(2) 地下车站结构抗震设防分类一般为重点设防类(乙类)，且地下车站工程一般建筑面积均大于10 000 m2，应作为单体工程进行抗震专项论证分析。

(3) 基于性能的抗震设计设防目标要求，结构在E2地震作用下满足强度要求，且结构层间位移角满足限值1/550要求；结构在E3地震作用下，层间位移角满足限值1/250要求。

(4) 地下车站的抗震专项设计主要采用反应位移法和时程分析法，一般以反应位移法为主要设计依据，而时程分析法作为补充验证，其中反应位移法计算所需的土层相对位移和土层剪力的竖向分布通常采用一维波动模型计算得到。

(5) E3地震作用下，结构的弹塑性层间变形，可以通过简化为弹性分析的层间变形乘以位移增大系数1.3进行估算。

[1] GB 50909-2014,城市轨道交通结构抗震设计规范[S].

[2] GB 18306-2015,中国地震动参数区划图[S].

[3] 住房和城乡建设部.关于印发《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点(地下工程篇)》的通知[Z].建质[2011]13号,2011.

[4] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[5] GB 50111-2006,铁路工程抗震设计规范[S].

[6] 潘靖军.交叉地铁车站结构抗震设计方法对比研究[D].长沙:中南大学,2014.

[7] 刘晶波,王文晖,张小波,等.地下结构横断面地震反应分析的反应位移法研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(1):161～167.

[8] Hamidreza R, Hossein S J.The bam (iran) earthquake of december 26, 2003: From an engineering and seismological point of view [J]. Journal of Asian Earth Science, 2006,27(5):576～584.

[9] Bhalla S,Yang Y W,Zhao J,et al. Structural health monitoring of underground facilities-Technological issues and challenges[J].Tunneling and Underground Space Technology, 2005, 20(5):487～500.

[10] Youssef M A，Hashash J，Hook J，et al. Seismic design and analysis of underground structures[J].Tunneling and Underground Space Technology,2001,16(4):247～293.

[11] 刘晶波,吕彦东.结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法[J].土木工程学报,1998,31(3):55～64.

[12] J 11527-2009, 地下铁道建筑结构抗震设计规范[S].

2016-05-27；修改日期：2016-06-01

张有桔(1986- )，男，安徽全椒人，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司工程师．

U231.4；TU352

A

1673-5781(2016)03-0361-04