上软下硬地层大跨度车站抗震风险控制分析

张建国

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

1 引言

近年来，相关学者对复杂场地的地铁车站结构的抗震性能进行了系统研究，但地下结构抗震设计领域受到的关注还不是很充分[1]。虽然《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909-2014）、《地下结构抗震设计标准》（GB/T 51336-2018）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016版）[2-4]等标准在近年相继颁布。但是城市地下结构的地震损失机理和分析方法的研究尚有许多亟待解决的问题[5]。李新星[6]等对反应位移法和反应加速度法在地铁车站结构抗震设计的适用性进行了分析，推荐在均质土层采用反应加速度法作为抗震设计方法。刘晶波、陶连金等[7-11]对地下结构抗震分析方法进行了全面分析，但仅限于理论层面。本文对处于上软下硬地层的大连地铁5号线后关村站进行设防地震和罕遇地震作用下的动力响应平面时程分析，以期为地铁工程地震风险控制和设计提供重要的依据。

2 工程背景

后关村站为大连地铁5号线终点站，车站长度349 m，标准段宽42.9 m。车站为地下二层双岛4线车站，与大连地铁1号线北延线设置换乘，站台宽度11 m。其场地范围内上部约2.7 m厚填土，下部为中风化石灰岩，顶板覆土约1～6 m。车站主体结构标准段采用三柱四跨框架结构（局部为四柱五跨），采用明挖放坡法施工。车站标准横断面如图1所示，标准断面结构构件尺寸见表1。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）、《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909-2014）有关规定：场地抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，基本地震动峰值加速度为0.15g，反应谱特征周期为0.4 s。

表1 后关村站标准断面结构构件尺寸表 mm

图1 车站标准横断面图（单位：mm）

3 平面时程模型建立

3.1 模型尺寸

根据计算分析需要，模型尺寸长×宽为170 m×60 m，模型单元总数为 16464个，节点总数为16311个。为减弱地震波的吸收和反射效应，模型2个侧面为自由场边界（动力人工边界），底面为固定约束，上边界为自由地表，如图2（部分截图）、图3所示。模型中，土体采用四边形和三角形平面应变单元模拟，车站梁、板、墙、柱均采用梁单元模拟。

图2 土层-结构网格图

图3 车站主体结构网格图

3.2 地震波选用

根据《大连市轨道交通 5 号线地震安全性评价报告》的内容及抗震设计条件，将大连地铁5号线地表设计地震动参数分为3个区，后关村站为Ⅲ区；本次时程分析计算选取6组地震波，分别计算50年超越概率10%、2%这2种概率水准的地震波各3条，不同情况下的地震加速度（ACC）时程曲线如图4、图5所示。（E2为设防地震、E3为罕遇地震）

图4 E2地震下ACC时程曲线

图5 E3地震下ACC时程曲线

3.3 计算断面布置

根据动力时程分析中结构位移和内力的分布规律，选择车站主体结构上5个计算断面进行计算分析，计算断面选取位置如图6所示。

图6 结构计算横断面位置图

4 E2地震作用下的时程计算分析

4.1 结构变形计算

4.1.1 水平方向位移

在E2地震3条地震波分别作用下，工况1（对应地震波1）至工况3（对应地震波3）车站主体结构水平方向位移最大值分别为9.33 mm、9.95 mm和11.4 mm，如图7a～图7c所示，沿X轴方向最大变形发生在车站顶板中部位置。

图7 E2地震各工况计算断面水平位移（单位：mm）

4.1.2 横断面层间位移

表2、表3给出了各个工况下，车站主体结构的层间位移差和位移角统计值。

表2 E2地震作用下层间位移差 mm

4.2 结构内力计算

针对3个工况，进行结构断面弯矩、剪力和轴力的计算，典型内力云图如图8所示。综合3个工况的统计结果见表4。

图8 E2地震工况1下典型内力云图

表4 各工况典型内力统计表

弯矩、剪力、轴力云图计算结果分析表明工况 1、工况2及工况3最大弯矩为2485 kN · m、最大剪力为772 kN，最大轴力为15136 kN，轴压比为0.61（轴压比限值0.75）。这说明在设计地震作用下，结构设计满足抗震性能 Ⅰ要求。

5 E3 地震作用下时程计算分析

5.1 框架水平位移计算

图 9给出了车站主体结构的最大水平位移值。工况4至工况6下，车站主体结构X轴方向位移最大值分别为35.3 mm、25.6 mm 和21.46 mm，沿X轴方向最大变形发生在车站顶板跨中位置。

图9 E3地震作用下框架位移图（单位：m）

5.2 各横断面层间位移计算

图 10 给出了工况 4下3个断面的顶板和底板层间位移差。表5、表6给出了车站主体结构的层间位移差和位移角统计值。

图10 各断面处层间位移差时程曲线图

表5 E3地震作用下层间位移差 mm

表6 E3地震作用下层间位移角

结构层间位移差及层间位移角最大值分别为 35.3 mm 和 1/523，层间位移角小于 1/250。在 E3 地震作用下，结构设计满足抗震性能 Ⅱ要求。

6 结论

（1）在设防地震作用下，结构最大层间位移角均小于1/550，可以认为结构处于弹性工作阶段，构件截面及配筋均满足抗震计算要求。车站构件截面尺寸及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。

（2）在设防地震作用下，车站中柱轴压比均不超过0.75的限值，满足规范要求。

（3）在罕遇地震作用下，车站弹塑性层间位移角均未超过1/250的层间位移角限值，可以认为结构局部处于弹塑性工作阶段，但损坏情况处于可修的范围之内。

（4）经地震作用分析和结构强度、变形验算，地下车站结构均满足抗震设防要求，且地震工况对构件截面尺寸和配筋不作控制，抗震设计的重点是加强抗震构造措施。