上軟下硬地層大跨度車站抗震風(fēng)險(xiǎn)控制分析

張建國

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

1 引言

近年來，相關(guān)學(xué)者對復(fù)雜場地的地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域受到的關(guān)注還不是很充分[1]。雖然《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50909-2014）、《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51336-2018）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（2016版）[2-4]等標(biāo)準(zhǔn)在近年相繼頒布。但是城市地下結(jié)構(gòu)的地震損失機(jī)理和分析方法的研究尚有許多亟待解決的問題[5]。李新星[6]等對反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法在地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的適用性進(jìn)行了分析，推薦在均質(zhì)土層采用反應(yīng)加速度法作為抗震設(shè)計(jì)方法。劉晶波、陶連金等[7-11]對地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法進(jìn)行了全面分析，但僅限于理論層面。本文對處于上軟下硬地層的大連地鐵5號線后關(guān)村站進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震作用下的動力響應(yīng)平面時(shí)程分析，以期為地鐵工程地震風(fēng)險(xiǎn)控制和設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

2 工程背景

后關(guān)村站為大連地鐵5號線終點(diǎn)站，車站長度349 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬42.9 m。車站為地下二層雙島4線車站，與大連地鐵1號線北延線設(shè)置換乘，站臺寬度11 m。其場地范圍內(nèi)上部約2.7 m厚填土，下部為中風(fēng)化石灰?guī)r，頂板覆土約1～6 m。車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用三柱四跨框架結(jié)構(gòu)（局部為四柱五跨），采用明挖放坡法施工。車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸見表1。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50909-2014）有關(guān)規(guī)定：場地抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，基本地震動峰值加速度為0.15g，反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。

表1 后關(guān)村站標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸表 mm

圖1 車站標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

3 平面時(shí)程模型建立

3.1 模型尺寸

根據(jù)計(jì)算分析需要，模型尺寸長×寬為170 m×60 m，模型單元總數(shù)為 16464個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為16311個(gè)。為減弱地震波的吸收和反射效應(yīng)，模型2個(gè)側(cè)面為自由場邊界（動力人工邊界），底面為固定約束，上邊界為自由地表，如圖2（部分截圖）、圖3所示。模型中，土體采用四邊形和三角形平面應(yīng)變單元模擬，車站梁、板、墻、柱均采用梁單元模擬。

圖2 土層-結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

圖3 車站主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

3.2 地震波選用

根據(jù)《大連市軌道交通 5 號線地震安全性評價(jià)報(bào)告》的內(nèi)容及抗震設(shè)計(jì)條件，將大連地鐵5號線地表設(shè)計(jì)地震動參數(shù)分為3個(gè)區(qū)，后關(guān)村站為Ⅲ區(qū)；本次時(shí)程分析計(jì)算選取6組地震波，分別計(jì)算50年超越概率10%、2%這2種概率水準(zhǔn)的地震波各3條，不同情況下的地震加速度（ACC）時(shí)程曲線如圖4、圖5所示。（E2為設(shè)防地震、E3為罕遇地震）

圖4 E2地震下ACC時(shí)程曲線

圖5 E3地震下ACC時(shí)程曲線

3.3 計(jì)算斷面布置

根據(jù)動力時(shí)程分析中結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的分布規(guī)律，選擇車站主體結(jié)構(gòu)上5個(gè)計(jì)算斷面進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算斷面選取位置如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算橫斷面位置圖

4 E2地震作用下的時(shí)程計(jì)算分析

4.1 結(jié)構(gòu)變形計(jì)算

4.1.1 水平方向位移

在E2地震3條地震波分別作用下，工況1（對應(yīng)地震波1）至工況3（對應(yīng)地震波3）車站主體結(jié)構(gòu)水平方向位移最大值分別為9.33 mm、9.95 mm和11.4 mm，如圖7a～圖7c所示，沿X軸方向最大變形發(fā)生在車站頂板中部位置。

圖7 E2地震各工況計(jì)算斷面水平位移（單位：mm）

4.1.2 橫斷面層間位移

表2、表3給出了各個(gè)工況下，車站主體結(jié)構(gòu)的層間位移差和位移角統(tǒng)計(jì)值。

表2 E2地震作用下層間位移差 mm

4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

針對3個(gè)工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面彎矩、剪力和軸力的計(jì)算，典型內(nèi)力云圖如圖8所示。綜合3個(gè)工況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

圖8 E2地震工況1下典型內(nèi)力云圖

表4 各工況典型內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表

彎矩、剪力、軸力云圖計(jì)算結(jié)果分析表明工況 1、工況2及工況3最大彎矩為2485 kN · m、最大剪力為772 kN，最大軸力為15136 kN，軸壓比為0.61（軸壓比限值0.75）。這說明在設(shè)計(jì)地震作用下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抗震性能 Ⅰ要求。

5 E3 地震作用下時(shí)程計(jì)算分析

5.1 框架水平位移計(jì)算

圖 9給出了車站主體結(jié)構(gòu)的最大水平位移值。工況4至工況6下，車站主體結(jié)構(gòu)X軸方向位移最大值分別為35.3 mm、25.6 mm 和21.46 mm，沿X軸方向最大變形發(fā)生在車站頂板跨中位置。

圖9 E3地震作用下框架位移圖（單位：m）

5.2 各橫斷面層間位移計(jì)算

圖 10 給出了工況 4下3個(gè)斷面的頂板和底板層間位移差。表5、表6給出了車站主體結(jié)構(gòu)的層間位移差和位移角統(tǒng)計(jì)值。

圖10 各斷面處層間位移差時(shí)程曲線圖

表5 E3地震作用下層間位移差 mm

表6 E3地震作用下層間位移角

結(jié)構(gòu)層間位移差及層間位移角最大值分別為 35.3 mm 和 1/523，層間位移角小于 1/250。在 E3 地震作用下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抗震性能 Ⅱ要求。

6 結(jié)論

（1）在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/550，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，構(gòu)件截面及配筋均滿足抗震計(jì)算要求。車站構(gòu)件截面尺寸及配筋均由準(zhǔn)永久荷載組合作用下的裂縫計(jì)算控制，抗震工況不起控制作用。

（2）在設(shè)防地震作用下，車站中柱軸壓比均不超過0.75的限值，滿足規(guī)范要求。

（3）在罕遇地震作用下，車站彈塑性層間位移角均未超過1/250的層間位移角限值，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)局部處于彈塑性工作階段，但損壞情況處于可修的范圍之內(nèi)。

（4）經(jīng)地震作用分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形驗(yàn)算，地下車站結(jié)構(gòu)均滿足抗震設(shè)防要求，且地震工況對構(gòu)件截面尺寸和配筋不作控制，抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。