城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能设计

曹萌芽

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）

1 工程概况

奥体中心站是沈阳地铁9号线工程的一个换乘站，与地铁2号线采用“通道+换乘厅”形式换乘。车站设于浑河大街与浑南西路交口处立交桥北侧，大部分位于青年南大街下，东西两端均位于绿化用地范围内，大致呈东西向布置。青年南大街为城市重要的交通干道且为景观大街，交通顺畅。青年南大街道路红线宽60 m，双向12车道。

2 三维有限元动力模型

为了更好地提升该地铁车站结构的稳定性与安全性，工程师以MIDAS/UTSNX软件为数据分析和模拟平台，以三维数值模拟分析为基础，详细分析和研究地铁车站结构的抗震特性。

2.1 模型与参数

考量到三维有限元动力模型的基本要求，根据工程实际情况，分方向设置模型尺寸，相关参数为：X方向模型长度630 m，Y方向模型长度550 m，Z方向模型长度110 m，模型节点数量108 000个，由模型节点连接作用形成的单元数量510 000个。此外，模型根据车站结构共分为4层结构类型，采用四面体单元形式模拟。

2.2 边界处理模型

为了消除边界处应力波反射现象，可引入黏弹性人工边界，以加强结果处理的准确性。具体作用机理为确定边界节点并根据节点位置确定其所对应的法向与切向区域。

2.3 荷载及求解

在该环节中，可研究不同人工形态下模型受到地震的影响程度。该分析基于地下结构抗震性能（设防目标要求）E2与E3地震环境下结构的地震响应情况，模拟结果见图1。

图1 分别模拟了E2和E3作用下的典型波，并将X轴按逆时针48°方向旋转处理，依次展开18种荷载模拟，设置积分时间步长，同时引入纽马克-B法，借助平均加速度进行工况计算。最后，根据工程实际情况确定相关参数。其中，积分时间步长0.02 s，所有工况总计算时间30 s。

3 车站结构差异变形时程分析

在考虑各监测点动力时程曲线情况下，地铁车站结构横断面的相对水平位移峰值（绝对值）详见图2，其最大值基本发生在结构顶板。这是因为地震动向上传播时的放大效应以及侧墙开洞造成的刚度发生了巨变，从而造成结构上层变形值往往较下层变形值大。

图2 监测面相对位移

从基底差异变形时程曲线可知：（1）9号线奥体中心站主体结构的横向最大差异变形6.51 mm，纵向最大差异变形0.25 mm；（2）2号线奥体中心站主体结构的横向最大差异变形6.30 mm，纵向最大差异变形0.24 mm。因此，在设计的E2和E3地震作用下，奥体中心站的基底差异变形量均不大，能满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016版）（以下简称规范）中“经一般修理后仍可继续使用”的要求[1]。

地震工况的计算方法：建立“荷载-结构”模型，将时程分析法所得结构的实际X方向位移加载在结构上；同时，水平方向仅加载水压力，竖向荷载与基本组合相同。

4 计算地下结构抗震的方法研究及设计流程

4.1 土层结构的时程分析方法研究

依托时程分析法，可开展土层结构分析。时程分析法内容主要包括：（1）将整个城市轨道交通大型空间结构及其周围土体视作整体，从而分析地震持续时间对地下空间结构的影响；（2）调整地震加速度，并收集在不同地震运动时间和强度下，地下结构的位移情况和内力指标，为地下结构稳定性分析提供参考数据，以便开展进一步抗震性能的分析[2]。

4.2 反应位移方法研究

为了全面地分析土层与结构动力之间的关系，在比较与综合了多种研究方法后，选择了自由场反应位移方法来分析一维土层受到地震影响的情况，并如实记录土层反应情况，从而提升城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能分析的科学性与可靠性。

此外，还可以采用反应位移方法收集土层的位移量，计算出土层结构惯力，并引入地基反力系数这一概念，从而计算出地下结构地基的弹簧刚度。

4.3 地下空间结构抗震性能设计流程

地下空间结构抗震性能设计流程大致可分为2步，即确定关键问题与分析地基地震反应。

4.3.1 确定地下空间结构抗震性能设计关键问题

1）在确定关键问题前，要先进行地质勘查，掌握地下结构的地基条件与周围建筑物的分布情况。在地下空间结构抗震性能设计过程中，设计人员要严格按照地震作用基准面设计标准进行设计，考量输入的地震动是否符合相关设置标准，并处理好基线，同时采用漂移的方式处理基线，以避免在模拟过程中以及实际的施工中出现位移。

2）输入的地震面与场地覆盖层之间存在相互影响的关系，并根据输入的地震面来计算出地下结构抗震施工覆盖层的厚度。值得注意的是，若覆盖层的厚度不合理，就会影响整个地下结构的地震动强度，从而造成地震反应结果失真的情况。

3）在国内的城市轨道交通大型地下空间结构抗震性能设计中，输入地震动的确定与输入地震面的选择，需要结合实际的地下结构情况确定。可选择在隧道与地下车站交界处的岩土层实施覆盖土层，同时，根据地下车站场地的大小严格控制覆盖土层的厚度[3]。

4.3.2 地基地震反应的计算

随着城市轨道交通地下空间结构向广度和深度不断加大，传统的线弹性分析方法无法满足当前地下空间结构的计算需求，诸多的新型计算方法被应用到地下空间结构地基地震反应的计算。在选择计算方法时，可以综合考虑工程实际情况、各个计算方法的特点及优缺点，从而选择效果最好的计算方法。

本工程选择了应用自由场反应法来确定地震加速度的计算方法，通过计算可知地下结构周围地基的非线性程度。计算对象为地下空间结构衬砌和横向结构，计算内容为结构内力指标与变形量。经过计算，可以获得地下空间结构横向抗震结构的抗震性能，评估地下空间结构的抗震等级。

地下空间结构抗震性能设计过程中，设计人员要关注影响地下空间结构抗震性能的因素，并严格按照分析方法实施实验与计算，从而对地下空间结构抗震性能做出科学评估，确保投入运行使用的地下空间结构抗震效果理想，满足设计要求。

5 抗震构造措施

经地层地震反应计算、车站结构抗震分析和计算、抗震性能验算，车站结构总体满足抗震设防性能要求，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[4]。

根据规范6.3节要求，抗震等级为3级时，梁端箍筋加密区的长度、箍筋的最大间距和最小直径应满足3个要求：（1）当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，箍筋最小直径数值应增大2 mm；（2）梁端加密区的箍筋肢距，不宜大于250 mm和20倍箍筋直径的较大值；（3）对于钢筋混凝土柱，3级抗震时截面宽度和长度应大于300 mm，剪跨比宜大于2，截面长边与短边的比值应小于3，柱轴压比应小于0.85。

对于柱箍筋的加密范围，应按下列规定选用：（1）柱端，取截面高度（圆柱直径）、柱净高的1/6和500 mm三者的最大值；（2）底层柱的下端不小于柱净高的1/3；（3）刚性地面上下各500 mm；（4）剪跨比小于2的柱、因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比小于4的柱、框支柱取全高。在柱箍筋加密区的箍筋肢距方面，1级不宜大于200 mm，2级、3级不宜大于250 mm。与此同时，至少每隔1根纵向钢筋就在相反2个方向设置箍筋或拉筋约束，在采用拉筋复合箍时，拉筋宜紧靠纵向钢筋并钩住箍筋。

对于柱箍筋非加密区的箍筋配置，应符合下列要求：（1）柱箍筋非加密区的体积配箍率不宜小于加密区的50%，且箍筋间距的3级框架柱应＜15倍纵向钢筋直径；（2）为提高中柱的抗剪强度、抗弯强度和延性，主体结构采用钢管混凝土柱并提高钢管柱套箍指标，以提高主体结构的抗震性能。

6 结语

为了减轻城市地面交通的压力，城市地下轨道交通的发展规模正在不断扩大，相应的地下空间结构的建设也在逐渐增多。如何提升城市轨道交通大型地下空间结构的抗震性能，成为人们越来越关注的问题。提供抗震性能良好的城市轨道交通大型地下空间结构，才能为人们的生产、生活创造更加安全舒适的出行环境。

本文基于某地铁车站工程，以MIDAS/UTSNX软件为平台搭建三维有限元动力模型，分析在地震力的作用下地下空间结构的位移与变形情况，并严格控制地下空间结构中顶、底板变形位移情况，完善地下空间结构抗震性能设计，从而提高地下空间结构的综合效益，推动城市轨道交通的健康发展。