大跨度无柱车站抗震措施分析研究

任一恒

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州）

前言

地下车站作为一种复杂的建筑结构，面临着地震等多种自然灾害的威胁。结构形式对地下车站的抗震性能具有非常重要的影响。首先，地下车站的结构形式直接决定了其抗震能力。不同的结构形式具有不同的刚度和耗能能力，而这些性能直接关系到车站在地震发生时的受力性能。例如，拱形结构相较于框架结构可以更好地吸收地震产生的侧向位移，从而减少地震损伤，而一般框架车站的侧向刚度相对较低，容易发生侧向变形和倒塌。因此，在地下车站的结构设计中应根据不同的地震区域和地质条件，选用合适的结构形式，以保证车站的抗震能力。

在地下车站的结构形式抗震措施的研究过程中，专家及学者都针对地下车站的抗震性能做了很多研究，并得出拱形结构截面有助于提高结构的抗震性能的结论。贾聿颉[1]等人提出，受车站异形结构的影响，主体结构的变形和受力均产生了一定程度上向结构外延长端转移的趋势；杨善统[2]提出，大跨度无柱车站的内力整体上都要明显大于相同断面形状的常规有柱车站。该研究结论可为无柱大跨度地铁车站的抗震设计提供了有益的参考；刘庭金[3]指出，顶板变截面式与预制装配式拱形结构分别为目前矩形和拱形大跨度无柱地铁车站结构型式中的最优选项。

综上所述，无柱拱形地下车站或异形地下车站，在抗震作用下具有以下劣势：在地震荷载作用下容易产生局部集中荷载，可能导致局部的破坏或者倒塌。相对而言，一般框架车站的侧向刚度相对较低，面内受力特性好，结构在平面内受力均匀，站厅层的结构柱能够有效地分散地震作用力，减小结构产生的应力集中现象。

1 模型建立与条件假设

1.1 数值模拟软件选取

三维分析软件是土木工程等领域常用的有限元分析软件，可以处理各种复杂的结构模型，如非线性分析、动力分析等，可以模拟地震等多种工况；同时可模拟各种不同材料的特性，如钢材、混凝土、土壤等；以及静力分析、动力分析等多种分析方法，可以满足各种抗震需求；三维分析软件的后处理功能非常强大，可以对分析结果进行可视化处理，如生成各种图表、动画等，方便用户分析和理解分析结果。

本次研究采用时程法进行结构抗震计算，时程法是一种常用的结构抗震计算方法，也称作“地震时程分析”或“地震动力分析”。它以地震作用的时程作为荷载，通过数值模拟结构在地震作用下的动力响应，来分析结构的抗震性能，并利用数值分析方法求解结构在地震作用下的动力响应，包括加速度、速度、位移等动态响应参数。通过对结构响应进行分析，可以评估结构在地震作用下的稳定性和可靠性，以及进行结构的抗震设计和加固措施的优化。与传统的静力分析方法相比，时程法能够更加全面、准确地描述结构在地震作用下的响应特性，尤其对于复杂结构和重要结构的抗震分析更加适用。

1.2 工程项目概况

本文依托深圳地铁3 号线坪地六联站工程，坪地六联站为深圳市城市轨道交通3 号线四期工程项目自南向北的第7 座车站，为终点站。车站为地下双侧式2 层双跨车站，局部为负一层无柱，无柱段结构净距为22 m，车站顶板覆土约为3.7 m 左右，车站平面布置情况如图1 所示。对于浅埋地下工程结构而言，一般在使用阶段下受到外载作用最大。针对近期使用和远期使用阶段，采用SAP84 分别计算分析车站主体结构的受力特性。

图1 3 号线坪地六联站平面

主体结构计算按照平面应变假设，采用荷载－结构模型，通过SAP84 结构分析通用程序进行内力分析。远期使用阶段采用水土分算的原则确定水土压力。

按照承载能力极限状态进行计算，荷载组合效应取“基本组合”，即永久荷载组合系数为1.35，可变荷载为1.5。

按照原车站结构设计建立坪地六联站三维模型，从小里程到大里程为站厅层公共区无柱，设备区或单柱双跨或双柱三跨结合的结构形式。由于车站结构较为复杂，不宜再采用平面模型进行分析，需要建立三维空间模型，真实反映结构实际受力特点。

运用时程分析方法，建立“地层-结构”模型，把地震运动视为一个随时间变化的过程，并将地下结构物和周围土体介质视为共同受力变形的整体，通过直接输入地震加速度记录，在满足变形协调的前提下分别计算结构物和土体介质在各个时刻的位移，速度，加速度以及应变和内力，据以验算结构的稳定性和进行结构截面设计。

本章针对坪地六联站，使用软件进行三维建模，采用时程分析法计算获得结构在设防地震和罕遇地震下的变形及内力。根据计算分析需要，模型的尺寸X*Y*Z=650 m*220 m*28 m，模型节点数340 908个，单元数306 542 个，如图2、图3 所示。模型中，土体采用六面体单元模拟，车站主体结构均采用板单元模拟，车站梁、柱采用梁单元模拟，维护钻孔灌注桩等效为地连墙采用板单元进行模拟。

图2 车站周边土层模型结构网格

图3 车站模型结构网格

1.3 条件假设

本文为简化模型及减少计算量，对模型的建立及分析提出以下假定：

（1）模型初始地应力平衡只考虑自重应力，忽略构造应力的影响；

（2）依据地质勘测资料，近似认为地面为平面，忽略地形起伏的影响；

（3）地下水位位于场坪标高1 m 以下，土体加权容重按饱和土计算。

根据地下结构抗震设计标准（GB/T 51336-2018）规定，对于以下结构除应进行水平地震作用计算外，尚宜考虑竖向地震作用：

（1）结构体系复杂、体形不规则以及结构断面变化大、结构断面显著不对称的地下单体结构；

（2）大跨度结构或浅埋大断面结构；

（3）在结构顶板、楼板上开有较大孔洞，形成大跨悬臂构件；

（4）竖向地震作用效应很重要的其他结构。

2 结构抗震模拟计算

2.1 车站抗震计算输入条件

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3 个横断面进行相关数据结果考察，截面a 为站厅层无柱小跨度断面，截面b 为站厅层双柱三跨断面，截面c 为站厅层带外挂通道断面。

坪地六联站存在断面变化大以及大跨度断面的情况，应计算竖向地震作用，因此拟定3 组地震波均分别以沿Z 轴、Z 轴与Y 轴为同时施加地震作用，共6 个工况（见图4～图6）。

图4 荷载工况1

图5 荷载工况2

图6 荷载工况3

2.2 各工况下抗震结果计算研究

2.2.1 结构水平位移最大值

在工况1 至工况3 中，即结构在Z 方向地震荷载作用下，结构Z 方向相对基岩水平位移最大值分别为11.89 mm、12.91 mm、12.39 mm。水平位移最大值位置发生在坪地六联车站站厅层大跨区顶板上，同时顶底板具有相反方向的运动。

2.2.2 断面层间位移角

考察地震荷载1～3 作用下，断面a、b、c 中顶、底板位移差的时程曲线，结果如下：在Z 方向地震作用下，断面a～断面c 最大层间位移差为8.11 mm，层间位移角最大值为1/1887 层间位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各个工况车站主体结构各横断面的顶板与底板层间位移差和位移角统计值可知，断面a～断面c 最大层间位移差为8.42 mm，层间位移角最大值为1/1818，层间位移角均小于限值1/550。

在Z、Y 方向地震作用下各个工况车站主体结构楼板最大竖向挠度统计值可知，坪地六联站最大竖向位移出现在站厅层大跨断面顶板处，短向跨度为22 m，最大竖向位移为29.2 mm，挠度最大值为1/752，挠度均小于限值。

2.2.3 结构内力

研究发现，在Z 向地震动作用和Z、Y 双向地震动作用下，结构的弯矩都没有发生明显的突变。针对结构3 个断面，进行结构断面弯矩提取，给出了工况1～6同样位置点处的弯矩，综合3 个断面的统计结果见表1～表3。

表1 断面a 关键位置弯矩统计（单位：kN·m）

表2 断面b 关键位置弯矩统计（单位：kN·m）

表3 断面c 关键位置弯矩统计（单位：kN·m）

2.2.4 结果小结

Z 方向地震动作用下，坪地六联站结构顶板与底板层间位移差及层间位移角最大值分别为8.11 mm和1/1887；Z、Y 双向地震动作用下，结构顶板与底板层间位移差及层间位移角最大值分别为8.42 mm 和1/1818，层间位移角远小于1/550。

3 结论

从实验数据来看，相同的地震作用下，双柱三跨截面的最大弯矩为694 kN·m，而大跨度无柱车站弯矩为2 350 kN·m，且双柱三跨车站的层间位移为6.71 mm，而无柱车站位移为8.11 mm。这表明，在地震作用下，无柱大跨度截面范围结构受力更大，且其层间位移也更大。由结果可知，在地震作用下，双柱三跨车站，其两个柱子可以共同承担地震荷载，而柱子之间的连梁可以协同工作，从而形成一种“框架”的结构体系，增强了车站的整体稳定性。但是，在车站的横向地震作用下，柱子的抗震性能不如墙体，这可能是双柱三跨断面弯矩较小的原因之一。相比之下，无柱大跨度车站更偏重功能性的结构设计，其采用了悬挑式结构，通过大跨度的无柱站厅层和外挂支撑体系将地震荷载分散到整个车站结构中，提高了车站的整体抗震能力。但是，由于该结构缺乏柱子的支撑，在地震作用下可能会出现较大的位移。

总之，二者在地震作用下的表现及其原因与其结构形式密切相关，需要综合考虑各种因素，以制定合理的抗震设计方案，以确保地下车站在地震作用下的安全可靠性。异形结构地下车站的顶板采用拱形或者负一层设置外挂通道，可以使车站的整体结构更加牢固稳定，具有更好的抗震性能。拱形顶板的曲率半径比较大，可以分散地震作用下的应力，减少车站结构的变形和破坏。同时，外挂通道可以分担地震作用下车站结构的受力，进一步增强车站的抗震能力。