大跨度Y形柱地鐵車站抗震分析

勞志偉, 楊建烽

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵車站出現(xiàn)了各種具有特色的結(jié)構(gòu)型式。高斷面、大跨度、大柱距、異形柱成為大型地鐵車站首選的結(jié)構(gòu)型式。但是目前關(guān)于大型復(fù)雜異形柱車站抗震性能的研究較少，特別是異形柱在地震中的動(dòng)力響應(yīng)方面的研究更加缺乏。郝志宏[1]研究了三種地震波對(duì)不同埋深車站的地震影響；馬偉東[2]建立了地鐵車站三維模型，分析了車站各部件在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。劉彥坡[3]使用反應(yīng)加速度法，分析了不同荷載工況下，兩柱三跨地鐵車站的內(nèi)力值。

1 工程概況

廣州地鐵某車站使用明挖法施工，埋深4 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段為三層三跨結(jié)構(gòu)，采用了Y形立柱。標(biāo)準(zhǔn)段斷面寬45 m，高28 m，負(fù)一層高度為11 m，頂板厚1.1 m，中板厚0.6 m，地板厚1.2 m，側(cè)墻厚1 m。Y形柱底部尺寸為2 m×1.2 m，縱向間距18 m，橫向間距14.6 m，分叉跨度6.3 m，分支沿車站縱向布置。整個(gè)車站屬于大跨度、大層高的結(jié)構(gòu)。土層分布及物理參數(shù)見表1。

2 建立模型

2.1 計(jì)算模型建立

模型的建立采用有限元軟件MIDAS GTS，土體和結(jié)構(gòu)使用實(shí)體單元?？v向選取車站的五跨進(jìn)行分析，模型整體尺寸為145 m×90 m×82 m，見圖1。模型的四周采用自由場(chǎng)約束，底部采用固定約束。

圖1 有限元模型

2.2 特征值分析與地震波輸入

首先在邊界條件下對(duì)模型進(jìn)行特征值分析，得到模型第一、第二階振型的自振周期分別為1.618 s和1.397 s，以此作為動(dòng)力時(shí)程分析所需要輸入的結(jié)構(gòu)自振周期。

動(dòng)力輸入采用1995年測(cè)得的日本阪神地震波，其地震加速度時(shí)程曲線見圖2。地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間取4 s，時(shí)間步驟間隔取0.02 s。廣州地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，計(jì)算中基本地震加速度值取0.10g。

圖2 日本阪神加速度波時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)地鐵車站進(jìn)行抗震分析，最主要的是觀察車站結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移。為了便于分析車站的變形情況，以模型底部水平位移值為參考，車站結(jié)構(gòu)相對(duì)于模型底部的水平位移見圖3?？梢钥闯鲕囌镜装宓南鄬?duì)水平位移值最小，為11.3 mm，埋深越淺的位置水平相對(duì)位移越大，頂板的水平相對(duì)位移值達(dá)到了34.2 mm，頂?shù)装宓乃轿灰撇钪禐?2.9 mm。

圖3 車站相對(duì)水平位移云圖

在車站中間橫斷面的側(cè)墻和Y型柱上沿埋深方向布置位移測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖4。在地震動(dòng)過程中，各測(cè)點(diǎn)的最大水平位移如圖5所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)水平位移

從圖5可以看出側(cè)墻與Y形柱離底板越遠(yuǎn)的位置，水平相對(duì)位移值越大。兩者的位移值相差不大，說明側(cè)墻與Y形柱變形協(xié)調(diào)，地下負(fù)一層Y形柱的V形立柱沒有引起車站結(jié)構(gòu)形式的突變，車站整體協(xié)調(diào)性能較好。

選取車站中間跨的橫斷面做層間位移分析，車站各層的層間位移曲線圖見圖6，各層的層間位移角計(jì)算見表2。

圖6 各層層間位移差

從圖6可以看出，車站各層的層間位移差變化趨勢(shì)一致，位移曲線變化比地震波滯后0.3 s，層間位移最大發(fā)生在3.98 s。從表2可以看出，車站各層的層間位移角均小于1/1000，滿足GB/T 51336-2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)三層及三層以上地下結(jié)構(gòu)的抗震要求。車站地下一層的層間位移最大，為8.2 mm，而層間位移角最大值發(fā)生在地下二層，為1/1070。主要是因?yàn)檐囌究v向單跨跨度達(dá)到了18 m，地下一層中柱為V形結(jié)構(gòu)，而地下二、三層仍然采用的矩形中柱，其柱子頂端之間的跨度較地下一層的大，柱子的截面面積也較地下一層要小，導(dǎo)致地下二層的整體穩(wěn)定性比地下一層差。

表2 各層層間位移角計(jì)算

4 結(jié)論

(1)在阪神地震波作用下，車站埋深越大的位置相對(duì)水平位移越小，頂板的位移值最大，為34.2 mm。

(2)在同一埋深位置，側(cè)墻和Y形柱的變形一致，車站的整體性能較好，Y形柱沒有發(fā)生位移突變。

(3)車站各層的層間位移值變化滯后地震加速度波變化0.3 s，各層的層間位移角均小于1/1000，滿足規(guī)范的抗震要求。

(4)地下二、三層的層間位移角較地下一層的大，建議減小地下二、三層中柱的間距，增大中柱截面面積，以提高其抗震能力。