復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵車站抗震特性數(shù)值分析與工程防護(hù)

王慶瀚

摘 要：地鐵車站抗震分析是地鐵設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，土巖交界面位置與車站結(jié)構(gòu)形式都是影響車站抗震性能的重要因素，該文通過(guò)Midas GTS/NX軟件對(duì)濟(jì)南地鐵R3線龍洞莊站進(jìn)行三維非線性抗震時(shí)程分析，結(jié)合車站工程地質(zhì)特點(diǎn)，分析巖層縱向變化與車站結(jié)構(gòu)形式變化對(duì)車站抗震性能的影響，并結(jié)合工程實(shí)際提出針對(duì)性的抗震構(gòu)造措施，保證車站抗震性能滿足工程需要，確保車站結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：抗震分析 數(shù)值模擬 巖層縱向變化 抗震防護(hù)措施

中圖分類號(hào)：TU435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（c）-0059-02

地鐵車站抗震設(shè)計(jì)是保證地鐵安全施工與運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)，由于濟(jì)南地質(zhì)條件的特殊性，對(duì)地鐵車站的抗震性能要求也更為嚴(yán)格。研究表明，車站周邊土體與車站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用將明顯改變場(chǎng)地周圍土體的動(dòng)力反應(yīng)特性，進(jìn)而影響地鐵車站乃至周邊地表建構(gòu)筑物的穩(wěn)定，若不采取有效的防護(hù)措施，將給車站的施工乃至后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。車站地質(zhì)縱繼面如圖1所示。

1 工程概況

龍洞莊站位于濟(jì)南南部，屬山間溝谷地貌單元。地形總體南高北低，巖層南高北低，局部地勢(shì)起伏較大，自南向北逐步遞減，地面標(biāo)高184.26～194.73 m。地層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、碎石土、中風(fēng)化石灰?guī)r（破碎）與中風(fēng)化石灰?guī)r。車站埋深18.4～21.8 m，覆土2.4～5.3 m，車站為兩層地下島式車站，車站小里程段為局部三層站，頂板高度縱向存在3次變化，結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜。

2 車站三維抗震數(shù)值分析

該工程屬于重點(diǎn)設(shè)防類，車站抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，按高于該地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)抗震措施。地震波如圖2所示。

選取龍洞莊站兩處頂板高度變化處進(jìn)行建模分析。模型的尺寸為194 m×140 m×55 m，車站結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，車站柱和梁采用梁?jiǎn)卧M，單元數(shù)88 252個(gè)，采用粘彈性人工邊界進(jìn)行處理。模型地質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1，數(shù)值模型見(jiàn)圖3。

將地震波在模型X、Y、Z3個(gè)方向以1∶0.85∶0.7的比例施加于模型基巖底面進(jìn)行抗震模擬，計(jì)算步長(zhǎng)為0.02 s，并進(jìn)行位移、內(nèi)力統(tǒng)計(jì)分析，位移云圖見(jiàn)圖4～圖5，位移統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

由計(jì)算云圖可知，在地震過(guò)程中模型整體沿X正方向位移最大值為187.7 mm；相對(duì)位移最大值出現(xiàn)在位于兩層段頂板高度變化處，土巖交界面較低。通過(guò)分析地震荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析可知，地震作用下，車站彎矩最大值集中于車站腳部與柱端部，最大值出現(xiàn)在兩層段頂板高度變化處，彎矩最大值為1320 kN·m，車站三層與兩層段交界處與兩層段中部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由位移統(tǒng)計(jì)分析表可知，水平X方向地震作用下結(jié)構(gòu)橫斷面層間位移差均較小，最大位移差發(fā)生在三層段地下一層，最大層間位移角為1/815，小于1/250，符合地鐵抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 車站抗震防護(hù)措施

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況綜合確定車站主要抗震防護(hù)措施如下。

（1）遵循“強(qiáng)柱弱梁”原則，嚴(yán)格控制車站框架柱的軸壓比小于0.85，采用柱全高箍筋加密措施，并控制柱箍筋間距與肢距滿足抗震規(guī)范要求。

（2）梁中線應(yīng)與柱中線重合，節(jié)點(diǎn)區(qū)梁腰筋應(yīng)貫通，并配置附加腰筋和雙向拉筋，梁端1.5倍梁高范圍內(nèi)采用箍筋加密處理。

4 結(jié)論

（1）巖層縱向變化對(duì)車站抗震特性有明顯影響，土巖交界面較低時(shí)，車站層間位移較大。

（2）由Midas時(shí)程分析可知，車站縱向結(jié)構(gòu)形式變化處位移變化較大，受震時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（3）結(jié)合數(shù)值分析與工程實(shí)際，對(duì)車站梁柱結(jié)構(gòu)采取有針對(duì)性的抗震防護(hù)措施可有效地提高車站抗震特性，保證工程安全。

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