关于地铁车站抗震设计三维时程分析

甘静宇

（广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007）

0 引言

由于地铁车站项目有着一定特殊性，所以其对结构抗震层面有着更高的设计要求。那么，若想确保地铁车站总体抗震设计能够与各项要求相符，赋予地铁车站总体结构良好的抗震性能，为地铁车站总体运行安全提供可靠性保障，则对地铁车站总体抗震设计开展三维时程分析有着一定的现实意义和价值。

1 地下结构的地震反应基本特点和时程分析概述

1.1 地下结构的地震反应基本特点

结合以往各地所发生地震灾害，均有涉及地下结构明显遭到破坏相关资料记录，基于该背景之下，对于地下结构总体抗震性能层面要求不断提升。部分地震灾害记录资料当中显示，地下结构严重受损状况当中，多数地铁车站受损状况最为严重，结合部分结构整个断面形式和断面尺寸情况了解到，地震作用之下部分中柱坍塌严重，压剪破坏程度较大。顶板两端位置刚性节点，因中柱坍塌，致使顶板处于中柱两侧位置严重折弯，上覆土下沉、顶板塌陷情况出现，上覆土沉降量为2.5m。地震作用之下，部分地铁车站侧墙上部分加掖混凝土局部会出现剥落情况，侧墙顶部及底部位置有较宽裂缝形成，部分侧墙内侧位置主钢筋弯曲，可见由侧墙稍向内部鼓出，漏水现象明显；侧墙及底板、中柱结合位置周边，往往也极易有纵向裂缝产生。那么，结合以往地铁车站相关震害资料记录可确定的是，结构破坏主要体现情况，即中柱和箱型结构的顶板刚性连接位置，优垂直裂缝形成，且贯穿整个顶板；侧墙上面形成龟状裂缝，纵向钢筋明显弯曲外凸；部分中柱丧失自身承载能力，受损严重。那么，为更好地保证地铁车站总体抗震设计更具可靠性，则就需对注重对地铁车站总体抗震设计当中三维时程分析，便于提出最佳的设计策略，确保总体抗震设计满足实际需求，防止后期有地震灾害产生。

1.2 时程分析

工程实践当中，通常是以数值模拟为基础，对于地下结构总体抗震性能实施理论分析。数值模拟所用方法通常包含着反应位移、反应的加速度等各种拟静力法，还有反应谱、时程分析等各种动力分析法[1]。针对反应位移，此方法主要是结合一维土层的地震反应层面分析获取土层内部的相对位移，经对土层变形予以计算分析获取相应内力，结合地基弹簧具体形式，把静荷载施加至结构上面，以此获取到结构响应。针对反应加速，此方法则是借助一维土层的地震反应层面分析获取相应动力响应，经计算获取不同深度在有效水平惯性当中加速度，并结合体积力作用及其结构情况，获取相应的结构响应[2]；针对拟静力法之下，对地震波实施等效处理无法与不规则的动态传播等具体情况相符。反应谱法之下，往往无法考虑到地震力的持续作用所产生影响。时程分析，此方法主要是以结构的运动方程为基础，输入地震的加速度相关数据记录予以积分，以此获取时间整个历程当中结构地震作用的效应结构动力一种计算方法，更属于国际领域所通用型动力分析一种方法。时程分析此种方法通常应用至计算超高层或高层的补充计算一种方法[3]。时程分析这种方法，往往还被称之是直接积分方法，有限元当中对结构予以离散化，让其成为有着n 个的自由度离散类型结构系统，地面相对运动时间t 依照着固定时间步分，将其分割成为相应时间间隔△t，各△t 时间段内把结构整个系统作为线性体系，以此将动力学的方程有效构建起来，再予以迭代求解。针对多自由度的体系，其处于地面部位加速度相应作用之下动力平衡列式如式（1）所示。

有限元总体计算过程当中，地震的加速度实际分量可经由时程曲线予以输入，各时间步△T 则对此列式予以积分，获取系统速度及其加速度、位移各项参数，则系统内力最终得以有效获取[4]。那么相比较之下，时程分析法能够更为全面地将地震动实际强度、持续时间、频谱特性等反映出来，过程性显著，与实际情况更加相符，故被广泛应用至抗震设计及其性能相关分析当中，应用效果往往较为显著。

2 地铁车站总体抗震设计当中三维时程分析

2.1 工况

某城市地铁车站全长约为219.5m，车站标准段宽约23.3m，且顶板覆土3.95m，以明挖顺作为主要方法施工。该车站顶板部位厚度约800.00mm，地下1~2 层部分楼板、底板、侧墙实际厚度分别是400.00mm、1000.00mm、900.00mm； 中柱部分总体尺寸为8001300mm，且纵向间距为9.75m，整个车站地下1~2 层的层高分别是4.90m、7.30m。侧墙、顶板及底板部分，均选定C45 钢混，中柱部分选定C50 钢混。此车站从地面向下约105m 范围当中土层和参数，从上至下分别是：②1层为卵石素填土，为2.00m 厚度、5.00kPa 压缩模量、19.00kN/m2重度，φ 为10.0°，e 为5.00kPa；⑩1层为卵石，为7.00m 厚度、45.00kPa 压缩模量、22.00kN/m2重度，φ 为35.0°，e 为0.00kPa；⑩2层为卵石，为96.00m厚度、50.00kPa 压缩模量、22.00kN/m2重度，φ 为40.0°，e 为2.00kPa。抗震的设防烈度是Ⅶ度，地震的加速度值则设定0.15g。因此次拟建的地铁车站地处交通繁忙及人流集中区域，与远期线的车站实行节点换乘，车站总体抗震设计期间结合城市的轨道交通总体结构现行抗震设计各项规范及要求，应当分别对E2 地震及E3 地震相应作用之下结构的力学性能实施验算分析。结合现有规范可了解到，此铁站是当代重点的设防类型车站，E3 地震相应作用之下选定反应的加速度或是非线性的时程分析各种方法予以验算分析。因充分考虑到该站属于换乘站，那么，为能够将车站梁及柱体系总体布设复杂受E3 地震相应作用之下力学性能充分表现出来，便需依托三维时程分析法实施验算分析相关工作。故此次现结合该地铁车站项目工程，对地铁车站总体抗震设计开展三维时程实践分析。

2.2 模型构建

针对车站纵向部分作为x 轴，而垂直车站的纵向部位作为y 轴，从地面向下呈竖直方向位置为z 轴，将三维模型有效构建起来，便于实施计算分析相关工作。那么，结合城市的轨道交通总体结构现行抗震设计各项规范及其要求，模型处于x 轴、y 轴、z 轴这3 个不同方向位置的长度分别选定389.00m、213.00m、105.00m。此次模型计算选定8 节点的六面体相应单元，所划分单元共为324415 个。建模期间，边界问题往往较为关键。因实际场地从属半无限类型场地，模拟分析实施难度较大。为确保有限元的数值分析得以实现，就需对计算模型予以边界化，借助人为方式截断无限地基。弹性波处于土中传播期间，不同介质内部会有反射及折射现象产生，不可简单地直接将半无限域范围土体截取成为有限域实施分析。而人工边界，即虚拟边界，以人为设定各项条件替代被截取响应远场地基，对弹性波予以吸收。针对波动理论，不少国外学者也研究建立了各种不同类型的“人工边界”条件。针对模型边界层面，此次主要选定粘弹性的边界，以弹簧阻尼实施单元模拟。针对粘弹性的边界层面，即选定类似于粘性边界相应推导过程所构建局部的人工边界基础条件[5]。沿着人工边界设定经线性弹簧及阻尼装置所构成简单的物理元件，便于吸收射向相应人工边界产生波动能量、反射波等散射，借助粘性阻尼所产生吸能作用及弹簧刚性的恢复作用等，围绕着无限域对于广义结构层面所产生影响实施模拟分析，便于对所波射出的人工边界整个透射过程予以模拟。针对车站板及墙侧部分，选定板单元予以模拟分析，梁及柱部分则选定梁单元予以模拟分析，板、梁、墙等结构材料均为C35 混凝土，且弹性模量达到E=3.15GPa；针对柱结构选定C45 混凝土材料，弹性模量达到E=3.35GPa。车站周边土体选定Mohr-Coulomb 这一种非线性的本构模型。

2.3 地震响应的三维分析

三维模型示意图如图1 所示，模型当中土和车站整个结构体系基础计算模型为100.00m×60.00m×46.80m 尺寸，选定8 节点的实体单元对土体介质予以模拟，以8 节点的实体单元对地铁车站处于计算模型当中实施模拟，车站结构当中各构件接触面则被定义成绑定约束型tie 连接，约束两个不同接触面之间相对平动及其转动；针对土和结构之间接触面，则切向定义成为0.4 摩擦系数相应摩擦接触，针对法向部分实行硬接触。计算模型当中，对底边界部分施加一定地震的加速度波，对计算模型当中四周边界实行等效相同粘弹性的人工边界，此边界从属一层的实体单元[6]。依托三维的计算模型对静力作用之下实施计算分析期间，计算模型周侧边界、底部实行约束性竖向位移及水平方向的相位移。结合总体结构受静力作用之下内力情况可了解到，地铁车站当中柱所受静力作用之下呈较小剪力，各柱剪力基本相一致；各中柱呈较大轴力，中间柱则达到最大轴力，地下2 层当中柱轴力明显高于地上1 层。各柱弯矩数值无较大差异性，柱底弯矩高于柱端弯矩。对地铁车站总体抗震结构实施应力分析后了解到，土压力及重力双重作用之下，地铁车站当中楼板、柱底、柱端等连接位置呈较大应力；楼板和墙侧结合位置呈较大应力，底板和墙侧结合位置达到最大应力。那么，针对此地铁车站的地震作用之下位移响应层面三维时程分析，经模拟计算了解到，人工合成的地震波、0.38g 峰值的加速度E3 地震相应作用之下，车站1~3 层间距分别是5.400m、7.750m、7.520m，车站结构处于不同位置当中层间的位移角最终计算结果，即针对地下1 层的侧墙位置，层间位移约为2.09mm，且位移角为1/1614；针对地下1 层当中柱位置，层间位移约为2.65mm，且位移角为1/1274；针对地下2 层当中侧墙位置：层间位移约为3.69mm，且位移角为1/1313；针对地下2 层当中柱位置：层间位移约为4.05mm，且位移角为1/1196；针对地下1~2 层当中柱位置：其层间位移约为6.36mm，且位移角为1/739。那么，结合此结果表明，地震这一作用之下，车站总体结构当中层间的位移角均<1/250，可充分满足于现行的各项规范及其要求。

图1 三维模型示意图

2.4 抗震设计优化措施

（1）针对钢混框架结构当中，梁、柱、板等配筋方式、轴压比、截面尺寸，纵向受力部分钢筋最小的配筋率、搭接长度及其锚固长度，箍筋加密区实际长度、最小直径及最大间距，抗震墙体厚度、竖向及横向位置分布筋最小的配筋率、总体布设方式，带有孔洞情况下结构构造等各项抗震设计措施，均务必依照着二级抗震等级同类的板柱及地面框架、抗震墙体钢混框架类型结构等予以合理确定，并予以科学优化。

（2）结构设计期间，所采取各项措施务必要适应于地震对于总体结构所产生的影响，结构体型总体务必满足平顺性、对称性、规则性等各层面要求，且需结合具体需求，合理选定好侧墙开洞具体尺寸及形状与尺寸，确保抗侧的压力构件有着良好刚度性和稳定性：选定对称结构情况下，应当防止截面尺寸有较大的变化情况出现，针对结构当中结点应当选定弹性结点[7]。

（3）考虑到理论层面，越大埋深，所产生震害就相对较越小。所以，保证满足总体安全性及其经济性各项要求基础上，结构埋深应当适当增加，便于对震害起到一定减轻作用。倘若条件允许情况之下，可以沿着结构纵向位置间隔一段距离便设相应的抗震缝，对变形累加起到缓解作用，减轻所产生的震害。在震后务必及时对破坏程度实施严格核查相关工作，积极采取各项补救或优化措施，以确保最短时间之内便可恢复使用，有效降低震害。

3 结语

综上所述，通过此次针对地铁车站总体抗震设计所开展三维时程分析可了解到，满足现行设计规范及其要求情况下，充分把握地下结构的地震反应基本特点，对局部带有着换乘节点沿着纵向结构较大形式变化车站结构，实行三维时程分析这一方法，对地铁车站总体抗震设计实施计算分析可行性及有效性显著。遭遇抗震工况之下，总体的结构形式所产生变化往往可起到一定的控制作用，经三维时程综合分析体现，设计期间能够提前周期考虑到结构抗震各项优化设计方法及措施等，使得震害问题可被得到良好控制，为地铁车站总体结构提供安全保障。