轨道交通地下车站结构抗震性能化设计分析

王鹏

摘要：在目前城市发展过程中，随着人口数量不断增长，需要更多的城市基础设施投入使用，不但要满足人们的生活需要，同时也要利用更多的空间，从而使城市交通压力获得缓解。在当前城市交通建设过程中，增加多种轨道交通设施，不仅要求轨道交通具有稳定的运输能力，同时在使用过程中，要增加多种安全质量保护措施，使轨道交通能够具有较高的抗震能力。

关键词：轨道交通工程;地下车站结构;抗震设计

1抗震性能分析方法概述

实际工程中，主要通过数值模拟对地下结构的抗震性能进行理论分析。常用的数值模拟方法可分为以反应位移法、反应加速度法为代表的拟静力法，和以反应谱方法、时程分析法为代表的动力分析法两类。反应位移法根据一维土层地震反应分析得到土层相对位移，由土层变形计算得到内力，并以地基弹簧的形式施加静荷载于结构上，从而获得结构的响应。反应加速法通过一维土层地震反应分析获得的动力响应，计算得到不同深度处水平有效惯性加速度，并将其按体积力的方式作用与结构上，最终得到结构的响应。拟静力法缺陷在于静力计算所得内力一般较实际动力值偏大，且对地震波的等效处理往往难以符合其不规则动态传播的实际情况。反应谱方法相对于拟静力法增加反映了地震的频谱特性，但仍无法考虑地震力持续作用的影响，其本质上属于一种修正的拟静力分析方法[1]。

2抗震设计论证方法

2.1分析方法比选

随着我国城市轨道交通工程施工不断发展，在目前地下车站结构抗震设计中，主要按照該工程客流要求，地质环境条件等多种因素进行考虑，并在对结构抗震能力设计和计算过程中，需要按照以下方法进行计算：

（1）地震系数法;（2）反应位移法;（3）反应加速度法;（4）时程分析法。

在上述抗震设计计算方法中，需要设计人员充分掌握地下车站承担的客流压力，同时根据地质结构进行综合的考虑，从而使用简单快捷的抗震设计方法，使抗震设计要求更加符合地下车站结构使用标准。

2.2车站反应位移法

计算模型按照城市对交通工程不同要求，在进行地下车站结构抗震设计中，根据客流运行能力和地质环境特点，使用反应位移法进行抗震计算时，先将三种作用力进行分析和研究：

（1）结构惯性力;（2）土层相对位移力;（3）结构周围剪力。

地下车站结构发生震动过程中，上述三种作用力的产生会加速结构出现质量问题，同时由于地下空间中地质环境遭到破坏后，使地下车站承受更多的荷载作用[2]。地下结构抗震设计时，要按照土层相对位移和土层剪力分别的特点，能在竖向位置中减少对地下车站结构的影响。按照空间中作用力分布位置的不同，结构受到作用力的同时，由于地质结构产生的巨大荷载，从而导致土体变化速度不断加快，加剧对地下车站结构的破坏。

2.3二维平面时程分析法

围绕不同地下车站结构具有的抗震性能，按照二维平面时程分析法进行抗震设计时，通常将地下车站结构的抗震能力提升到Ⅱ级，同时增加多种抗震保护措施，防止地下土体结构发生变化时，能对地下车站结构起到良好的保护作用。根据地震动力时程变化特点，要将地下车站结构出现的抗震问题进行综合的分析，有效减少对地下车站结构受到进一步的破坏。在目前应用二维平面时程分析法过程中，将地下车站结构进行二维平面分析，对震动产生的动力能量计算在结构边界中，当土体结构发生变化时，按照结构具有的弹塑性能，对地下车站结构外部起到保护作用。

2.4反应位移计算模型运用

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三种地震作用，结构惯性力根据地震作用下的加速度直接施加。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[3]。一维波动模型计算中，所需场地土的静、动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。

在进行轨道交通工程地下车站结构抗震设计的过程中通常将整体轨道交通工程地下车站结构横向震动变形数据作为核心参考资料，并按照轨道交通工程地下车站结构周边的土壤作为结构的整体支护地基由于轨道交通工程地下车站结构具有多样化特点，因此在构建模型的过程中通常会将三维立体模型转变为二维平面进行分析。

3结构抗震性能化设计

3.1小震作用下弹性计算

对于高架车站结构，此类结构既不是典型的桥类、也不是典型的建筑结构类，弹性设计必须综合桥与建筑结构的分析计算方法，同时综合性的选择两种规范相关要求进行分析设计，结构设计时采用偏于桥梁软件CIVIL和偏于建筑结构软件SATWE进行对比分析。有效质量系数均大于90%，计算振型数足够;结构周期比、层间位移角，最大位移比及纵横桥向位移均满足规范限制的要求。表明计算结果合理可信，可以作为设计依据。

3.2罕遇地震作用下结构静力弹塑性验算及动力弹塑性验算

高架车站结构在罕遇地震作用下的验算常为弹塑性位移角的验算，未能真实地反映结构的各种响应、结构进入塑性的先后次序、结构整体进入塑性的程度以及结构的薄弱部位和薄弱构件[1]。当按大震不屈服进行结构弹塑性设计时，其材料强度采用标准值，不考虑剪重比、薄弱层、0.2V0调整等地震力调整，不考虑荷载分项系数，不考虑抗震承载力调整系数。采用YJK编制的PushoverAnalysis进行大震下静力弹塑性分析，采用中国建筑科学院编制的PKPM-SAUSAGE软件进行大震下动力弹塑性分析。通过结构在大震作用下的弹塑性分析，结合结构整体反应指标和结构构件的抗震性能分析可知：

3.2.1罕遇地震作用下静力弹塑性分析时，由计算结果可知罕遇地震作用下结构基底剪力与多遇地震基底剪力的比值约为4.9倍，地震作用量级合理;由能力曲线图可知谱曲线与需求谱曲线交于能力谱的直线部位表明结构抗震性能良好。

3.2.2罕遇地震作用下静力弹塑性分析时，需求点对应的加载步下各层的X向层间位移角和Y向层间位移角均小于1/50，满足规范限值要求。

3.2.3罕遇地震作用下动力弹塑性分析时，结构基底剪力为多遇地震基底剪力的2.5～5倍之间，地震作用量级合理;各工况动力弹塑性位移角均满足规范罕遇地震下层间位移角1/50的限值要求。

3.2.4根据结构损伤云图得知，墩柱底轻微损坏已进入塑性阶段，框架结构的竖向构件（关键构件）大部分轻微损坏，局部轻度损坏，转换构件 （关键构件）大部分均为轻微损坏，框架梁（耗能构件）基本为轻度损坏，基本满足性能目标的要求[2]。但局部转换梁（边梁）由于承受区间桥梁荷载较大重度损伤，应对其局部不满足构件通过调整截面或配筋，直至满足要求。

结束语：未来在促进城市轨道交通事业发展的过程中，为保持高架车站良好的应用状况及效果，需要给予其结构设计更多的关注，且在有效的设计措施支持下，完善这类结构设计方案，提升其在城市轨道交通高架车站方面的潜在应用价值。

参考文献：

[1]张朋来，王志虹，刘琳.关于轨道交通地下车站结构抗震等级的探讨[J].山西建筑，2017（28）：45～47.

[2]胡海迪.地铁地下车站结构抗震分析及设计[J].建筑工程技术与设计，2016（34）：722.

[3]张有桔，王飞，沈洪波.轨道交通工程地下车站结构抗震设计[JI.工程与建设，2016（3）：361～364.