不同场地条件下地连墙对地铁车站结构地震动力响应的影响

赵密 贾智富 昝子卉 黄景琦 杜修力

摘要：

地铁车站多采用基于地下连续墙（简称：地连墙）的明挖施工方法，施工后地连墙作为永久结构与车站共同受力。在车站结构抗震分析中，考虑到地连墙可能对结构抗震的有利作用，出于安全储备考虑通常忽略地连墙的存在，但地连墙对车站结构地震響应的影响规律和机理仍有待深入研究。以某典型两层三跨地铁车站结构为对象，基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件，开展有无地连墙情况车站结构地震响应特性对比研究，揭示不同场地条件下地连墙对车站结构地震响应的影响规律，阐明地连墙的影响机理。研究结果表明：地连墙具有减小车站结构总体层间位移效应，有利于侧墙和底层中柱抗震，但同时放大了顶底板与侧墙连接处的弯矩和正应力;地连墙对结构顶层中柱端部及中跨中板板端的内力和正应力的影响与场地条件相关，坚硬和中硬场地条件下具有减小效应，软弱场地下略有增大作用。上述结构响应规律的原因可归结为地连墙增加了结构侧墙刚度，降低了结构整体侧向变形，但限制了侧墙的弯曲变形，导致结构顶底板与侧墙交接处的弯曲变形和内力增大。

关键词：

车站结构; 地连墙; 不同场地条件; 土-结构动力相互作用; 地震响应

中图分类号： TU352      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0270-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20210812003

Influence of the diaphragm wall on the dynamic responses of

subway station structures under different site conditions

ZHAO Mi1， JIA Zhifu1， ZAN Zihui2， HUANG Jingqi3， DU Xiuli1

（1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education， Beijing University of Technology，

Beijing 100124， China; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， Guangdong， China;

3. Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract：

The open excavation method has always been adopted for subway station construction， wherein the diaphragm wall serves as a supporting structure in the foundation pit， following which the diaphragm wall continuously operates with the subway structure. In previous studies， the diaphragm wall was assumed to have a positive impact on earthquake resistance， and it was usually neglected in the seismic analysis of subway structures. However， the influence mechanism of the diaphragm wall on the seismic performance of subway structures must be further studied. Based on the finite element method of near-field wave motions and the viscous-spring artificial boundary condition， the dynamic responses of a typical two-story and three-span subway station structure with and without the diaphragm wall were compared and analyzed. Furthermore， the influence characteristics and mechanisms of the diaphragm wall on the seismic responses of subway station structures under different site conditions were investigated. Numerical results indicated that the diaphragm wall， which can reduce the overall inter-story displacement of a station structure， is beneficial to the seismic resistance of the side wall and the middle column in the bottom layer. However， the diaphragm wall also magnifies the bending moment and normal stress at the connection between the roof and floor and the side wall. The influence of the diaphragm wall on the internal force and normal stress of the middle column end in the top layer and the middle-span plate end of the structure is related to the site condition. In detail， it has a decreasing effect under hard and medium hard site conditions and a slightly increasing effect under soft site conditions. A possible reason for the response mechanism is that the diaphragm wall increases the lateral stiffness of the structure， thereby reducing the lateral deformation of the station structure. However， the diaphragm wall restricts the side wall deformation， thus increasing the bending moment and internal force at the connection between the roof and floor and the side wall.

Keywords：

station structure; diaphragm wall; different site conditions; soil-structure dynamic interaction; seismic response

0 引言

为充分利用城市地下空间资源，缓解交通拥堵压力，近年来我国城市地下结构数量快速增长，地铁建设发展迅猛。然而，近些年来在国内外地震灾害中受到破坏的地下结构，尤其是1995年日本阪神大地震中遭受严重破坏的大开车站，引起了世界各国学者对地下结构抗震研究的关注和重视［1-3］。

地下结构由于受周围场地土的约束作用，其地震响应取决于场地变形大小及土-结构相对刚度［4-5］。目前我国地铁车站大多采用明挖法施工，地连墙除作为施工阶段中的基坑支护结构承受施工荷载外，还以叠合墙或复合墙的连接形式与主体结构侧墙共同承受远期静、动力荷载［6］。地连墙的存在增大了车站结构的侧向刚度，从而改变了结构与土体之间的相对刚度比，从而对结构抗震性能具有重要影响。刘均等［7］利用反应位移法研究了地震作用下含地连墙地铁车站结构的响应特征;李新星［8］结合工程实例，采用反应加速度法对考虑地连墙存在的地铁车站结构进行了抗震设计;王雪剑等［9］开展了某叠合墙式地铁车站结构的地震响应数值模拟研究，发现地连墙的存在会提高车站结构侧墙和中柱的抗震性能，但同时也加重了车站结构一些关键部位的地震损伤;付继赛等［10］、Zhuang等［11］对比分析了地连墙连接方式对地铁车站结构地震响应的影响，提出与复合墙车站相比，叠合墙车站结构具有更好的抗侧移刚度。但在强震作用下，采用叠合墙形式连接，会导致车站结构顶底板与侧墙连接处的受拉损伤更为严重;王建宁等［12-13］针对某位于液化场地下的异跨地铁车站结构，研究了忽略地连墙、考虑单层及双层地连墙等情况下车站结构的地震响应规律;Zhuang等［14］指出地连墙的作用与地铁车站结构的埋深有关。

当前，虽然一部分学者针对地连墙的影响已开展了相关的研究工作，但对地连墙的影响规律认识并不充分且存在一些相互矛盾的地方，并缺少地连墙影响机理的合理解释。地铁车站结构由于埋置于地下，结构存在较大的初始静力荷载。地震发生时，又将承受额外的地震动力荷载。在以往地连墙对车站结构地震响应影响的相关研究中，初始应力与地震荷载同时进行考虑，研究地连墙对车站结构整体响应的影响。考虑两种荷载作用方式及特性具有明显的区别，两种荷载分别作用下地连墙对车站主体结构的影响规律及机理将具有明显的不同。虽然同时考虑两种荷载下的结构响应更为符合真实情况，但难以区分地连墙对单独一种荷载作用下的影响规律，进而较难有效揭示地连墙对地铁车站地震响应的影响机制。因此，有必要首先开展初始静力荷载及地震动力荷载单独作用下地连墙对车站主体结构影响规律的研究，为地连墙对车站结构整体地震响应影响规律的揭示提供基础。

综上所述，本研究以某典型两层三跨地下地铁车站为对象，分别选取三种不同类别的实际工程场地，基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界开展地铁车站结构地震响应模拟分析，研究不同场地类别下地连墙对车站结构地震响应特性的影响规律及机理。

1 计算模型及方法

1.1 地铁车站结构概况

本文以某典型两层三跨车站结构为研究对象，车站主体结构横截面尺寸如图1所示。车站上覆土层厚度为3 m，地铁结构横断面宽度为22.2 m，高度为14.31 m。结构顶板厚度为0.8 m，中板厚度为0.4 m，底板厚度为0.9 m，侧墙厚度为0.7 m。车站结构中柱尺寸为0.7 m×1.1 m，中柱纵向跨距为8.3 m。二维有限元模型中，中柱弹性模量按照Huo等［2］的方法进行折减换算，将其等效为厚度0.7 m的连续纵墙。车站结构两侧设置厚度为0.8 m、长度为30 m地连墙。车站结构侧墙与地连墙以叠合墙形式连接。

1.2 场地条件

为研究不同场地的影响，选取硬、中、软三种典型场地条件。其中，金安桥地铁站位于覆盖层较浅、覆盖层向下为圆砾直至坚硬岩石的地层中，其场地条件可选择作为坚硬场地。星海广场地铁站场地土质较软，且厚度近60 m，可选为软弱深厚土層场地。而珠市口站所在场地的土层条件介于两者之间，可选为中等场地［15］。三种场地的平均剪切波速vS30分别为442 m·s-1、262 m·s-1、161 m·s-1。参照vS30与我国场地类别的近似对应关系［16］，可将本文中的硬、中、软三种场地分别对应我国规范中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地。场地土层材料参数见表1所列。

1.3 有限元模型

采用ABAQUS有限元软件对地铁车站横断面进行地震响应分析。考虑地连墙情况下建立的车站结构位于硬、中、软场地的三个有限元模型如图2所示。坚硬、中硬场地模型高度为40 m，软弱场地模型高度为60 m，三种场地模型宽度均为150 m。车站结构、地连墙、周围土体均采用四节点平面应变单元。车站结构及地连墙的最大网格尺寸为0.2 m，场地最大网格尺寸为1 m。地连墙与结构之间，结构与土体之间均采用绑定连接，选取土体内侧为主面，车站外侧为从面。为对比分析有无地连墙对地铁车站结构地震响应的影响，同时建立无地连墙情况下位于上述三种场地的有限元模型。

车站主体结构及地连墙均采用C35混凝土，结构材料的质量密度为2 500 kg·m-3，弹性模量为31.5 GPa，等效后中柱混凝土的弹性模量降低为3.8 GPa，泊松比为0.2。因本文仅研究地震荷载单独作用下地连墙对车站结构动力响应特性的影响，车站结构和场地土均采用线弹性本构模型。

1.4 黏弹性人工边界及地震动输入

人工边界可模拟无限区域场地对计算区域的辐射阻尼效应。目前应用较多的人工边界包括透射边界［17］、黏性边界［18-19］及黏弹性边界［20-22］等。其中，黏弹性人工边界操作简易，概念清晰，具有良好的稳定性，能够较好地模拟无限域的弹性恢复能力及辐射阻尼效应。因此，本文在模型两侧和底部选择施加黏弹性人工边界。具体为在截断边界节点的法向与切向分别设置并联线性弹簧-黏滞阻尼器系统，如图3所示。黏弹性边界的弹簧-阻尼元件参数计算公式为［23］：

法向：KN=11+A·λ+2G2r，CN=BρcP（1）

切向：KT=11+A·G2r，CT=BρcS（2）

式中：cP和cS分别为介质中的压缩波波速和剪切波波速;ρ为介质密度;无量纲参数A、B的建议取值为0.8、1.1［23］;尺度r表示该人工边界节点到有限元模型几何中心的距离;λ和G分别为介质拉梅常数和剪切模量。

地震动以等效节点力的方式进行输入［24-26］，具体为通过一维场地响应获取人工边界节点处的自由场位移、速度和应力，从而计算人工边界节点处的等效节点力，最后将等效节点力施加至模型的人工边界节点上，从而实现地震动的波动输入。地震动输入在ABAQUS软件中具体实现流程见图4。其中，等效节点力的计算公式为：

［FB］l=Al（Klufl+Clfl+σfl） （3）

式中：ufl、fl和σfl分别为人工边界面上节点的自由场位移、速度和应力。

选用1995年阪神大地震中神户大学站台记录的Kobe波作为输入地震动。该地震波原始峰值加速度为0.276g，其加速度时程及傅氏谱如图5所示。

2 结果分析

为研究在不同场地条件下地连墙对地铁车站主体结构地震响应的影响规律，下文将对车站结构的层间位移、关键部位内力响应、车站结构整体变形特征进行对比分析。选取的关键部位见图6中红线标注部位。其中，侧墙、板和中柱截面分别用字母W、S和C表示。

2.1 不同场地下地连墙对车站层间位移的影响

图7给出了三种场地下有无地连墙时车站结构顶底相对位移时程曲线。由图7可知，结构顶底相对位移峰值受到场地条件的影响，结构在软弱场地下相对位移峰值最大，随着场地由软变硬，相对位移峰值逐渐减小。另外，结构顶底相对位移达到峰值的时间也受到场地条件的影响，随着场地由软变硬，相对位移达到峰值的时刻逐渐提前。对比图7中有无地连墙情况下车站结构相对位移曲线可以发现，有地连墙时车站结构的层间位移随时间变化规律与无地连墙时的情况保持一致，即地连墙的存在并未改变车站结构变形随时间的变化规律。但地连墙的存在增大了车站结构整体侧向刚度，从而减小了车站结构的整体层间位移。

为进一步分析地连墙的存在对车站主体结构变形的影响，表2给出了三种场地下有、无地连墙结构顶底、顶层和底层相对位移峰值。从表2中可以看出，地连墙存在对车站底层层间位移的影响最为明显，三种场地条件下地连墙均明显减小了底层层间位移，但在不同场地下的减小程度又具一定的差别，在中硬场地下减小幅度最为明显，软土场地次之。相对底层层间位移，地连墙对顶层层间位移的影响程度明显较小，在坚硬及中硬场地下地连墙存在时的层间位移相较于无地连墙情况分别减小2.84%和2.85%，但在软弱场地下，有墙较无墙增加了4.41%。地连墙对车站结构整体变形，即结构顶底板层间位移的影响程度居于顶层与底层情况的中间，总体为减小作用。

由以上分析可知，地连墙对车站结构整体变形具有减小作用，减小程度随场地由硬变软具有先增加后减小的趋势。另外，地连墙对车站结构具体每楼层变形的影响具有明显不同，且受场地条件的影响，对底层层间位移影响程度明显大于顶层情况。

2.2 不同场地下地连墙对结构内力及应力的影响

图8和图9分别给出了有墙较无墙各关键截面位置最大内力和最大正应力的变化情况。为直观描述内力和应力变化，图8和图9分别直接给出存在地连墙时最大内力和最大正应力相对无地连墙时的减小率，图中正值代表地连墙的存在对结构内力和正应力具有减小作用，负值代表增大作用。

由图8和图9可知，地连墙存在时的底层中柱顶、底端内力及正应力相对无地连墙时在不同场地下均有减小，但在不同场地下的减小程度具有明显不同，其中弯矩、轴力和正应力在中硬场地下减小幅度最为明显。地连墙存在时的车站侧墙与顶底板连接处及中板与侧墙连接处的弯矩和正应力相较于无地连墙情况均有减小，且侧墙底部与中板的彎矩和正应力随场地由软变硬减小程度具有减小的趋势，但侧墙及中板的轴力有墙较无墙均有放大。

另外，地连墙存在时顶、底板与侧墙连接处的弯矩和正应力相对无地连墙时在不同场地下均有放大，其中底板弯矩及顶、底板正应力随场地由软变硬放大程度具有减小的趋势。而地连墙存在时的顶层中柱柱端及中跨中板板端的内力和正应力相较于无地连墙情况在坚硬和中硬场地下均有减小，但在软弱场地下，有墙较无墙略有增加。

2.3 不同场地下地连墙对结构变形的影响

地连墙的存在改变了车站主体结构的抗侧移刚度，因此也会对主体结构的变形形态带来影响。图10给出了三种场地下有无地连墙情况车站结构顶底相对位移峰值时刻主体结构变形图的对比。硬、中、软场地的结构顶底相对位移峰值时刻分别为8.09 s、8.14 s和8.80 s，变形缩放系数均取为60。

如图10所示，结构变形受到场地条件的影响，结构在软弱场地下变形最为明显，随着场地由软变硬，结构变形的幅度逐渐减小。三种场地下无地连墙情况车站侧墙整体变形均呈曲线型，而有地连墙情况下由于地连墙与车站主体结构采用叠合墙形式连接，限制了侧墙的变形，使得侧墙的整体变形较小均呈直线型，从而减小了侧墙与顶底板端连接处的弯矩和正应力。地连墙的存在同时影响了板的变形，尤其是在软弱场地下，考虑地连墙情况时与侧墙连接的顶底板端变形显著，造成此处的弯矩和正应力较无墙情况放大明显。Zhuang等［14］在研究中发现地震作用下地连墙对结构整体变形和受力起到一定的减弱作用，但同时会造成结构具体部位损伤破坏加剧，如结构顶底板与侧墙交接部位损伤明显放大。本文对结构变形的分析可对Zhuang等的研究结果提供一定的机理揭示，即地连墙存在减弱了车站结构整体侧向变形，但同时对结构顶底板与侧墙交接处等局部部位的变形具有明显放大作用。

3 结论

本文以典型两层三跨地下车站结构为对象，开展不同场地条件下有无地连墙车站结构的地震动力响应分析，初步探讨了在不同类别场地下地连墙对地铁车站结构地震动力响应的影响规律。研究表明：

（1） 地连墙具有减小车站结构总体层间位移效应，但减小效应程度受场地条件影响，随场地由软变硬具有先增加后减小的趋势。另外，地连墙对车站结构具体每楼层变形的影响具有明显不同，且受场地条件的影响，对底层层间位移影响程度明显大于顶层情况。

（2） 地连墙对车站结构局部构件内力和应力具有不同影响效应，且受场地条件影响较大。地连墙总体对车站底层中柱顶、底端的内力和正应力具有减小作用，且减小作用程度随场地由软变硬具有先增加后减小的趋势;并对侧墙与顶底板连接处及中板与侧墙连接处的弯矩、剪力和正应力具有明显的减小作用。但地连墙对车站顶、底板与侧墙连接处的弯矩和正应力具有明显的放大效应，尤其在软土场地下放大最为明显，对顶板与侧墙连接处的弯矩最大放大了48%。另外，在坚硬和中硬场地下，地连墙总体对顶层中柱柱端及中跨中板板端的内力和应力具有减小作用，但在软弱场地下出现放大的情况。

（3） 地连墙对车站结构的变形影响较大，由于地连墙限制了侧墙的弯曲变形，从而减弱了侧墙的受力状态。但同时加重了与侧墙连接的顶底板端的变形，明显增大了此处的结构受力。

本文讨论不同场地类别下地震荷载单独作用情况下地连墙对车站结构动力响应的影响规律，为地连墙对车站结构整体地震响应影响规律的研究及机理揭示提供一定基础。后续将进一步开展静力荷载与地震荷载共同作用下地连墙对车站主体结构非线性地震响应及抗震性能的影响规律研究。

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