地铁车站结构抗震分析

吴磊

吴磊

中交铁道（武汉）建设科技有限公司湖北武汉430056

摘要：随着城市化的进程，各个城市的规模日益扩大，进几年来各个城市对城市轨道交通建设的投入也不断加大。过去人们普遍认为，地下建筑结构具有良好的抗震性能。然而近年来世界各地已发生的地震灾害中，发现很多地下结构也遭受了不同程度的破坏，甚至部分出现了很严重的破坏。目前地铁抗震设计主要参考《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909-2014)进行抗震计算。本文将以浙江金华地铁工程的某个地下车站为例，采用“I反应位移法”分析地震作用的工况，并提出一些抗震方面的意见和建议。

关键词：城市轨道交通；抗震性能；反应位移法；地震作用工况

1车站抗震设计概况

1.1工程概况

地铁车站为金华-义乌-东阳市域轨道交通工程一个站。车站为地下一层侧式车站，主体结构为地下一层单柱双跨钢筋混凝土框架结构，标准段宽度为17.6m，顶板覆土厚度2.8-3.2m，底板埋深12.1m，车站总长291.1m。车站结构采用明挖法施工。

图一：车站标准横断面

1.2抗震设防目标

依据住房和城乡建设部下发的《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）》及《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014），并考虑到轨道交通地下车站的重要性和震后修复难度，抗震设防目标如下：

（1）结构在遭受相当于本工程抗震设防烈度的地震影响时，即475年一遇地震动作用下，不破坏或轻微破坏，应能够保持其正常使用功能，结构处于弹性工作阶段，不应因结构的变形导致轨道的过大变形而影响行车安全；

（2）结构在遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震（高于设防烈度1度）影响时，即2450年一遇地震动作用下可能破坏，经修补，短期内应能恢复其正常功能，结构局部进入弹塑性工作阶段。

475年一遇地震作用，对应50年超越概率10%地震作用，即《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）中E2地震作用。

2450年一遇地震作用，对应50年超越概率2%地震作用，即《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）中E3地震作用。

1.3抗震设计条件

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016年修订版）和《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）规定，场地所在区域设计地震分组为第一组，基本抗震设防地震动峰值加速度为0.05g，抗震设防烈度为6度，反应谱特征周期为0.35s。根据区域地质资料结合周边工程经验，场地范围内覆盖层厚度范围介于3～50m，建筑场地类别主要划分为Ⅱ类，局部Ⅰ1类。场地地貌以一级阶地区为主，局部为河漫滩及高阶地，地貌类型较简单，场地土类型以中硬土为主，部分地段为中软土，基底基岩岩性为中风化粉砂岩，性质较好，按《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB500909-2014）确定本场地属建筑抗震一般地段。

抗震设计中地震效应的计算方法静力法、反应加速度法、弹性时程方法、非线性时程方法等。依据2014年底最新颁布的《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014），表3.2.4规定：对于重点设防类的地下结构，E2地震作用下抗震性能要求不低于I，E3地震作用下抗震性能要求不低于II；表3.3.1规定：对于区间隧道及地下车站结构，性能要求I时可采用反应位移法计算，性能要求II时可采用非线性时程分析方法计算。本报告研究对象E2地震作用下采用反应位移法计算。

1.4反应位移法

反应位移法认为地下结构在地震作用下的反应主要取决于周边图层的变形差，计算时通过将地震时产生的变形通过地基弹簧来采用静荷载来模拟。反应位移法进行地震计算时，需考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周边剪力这三种地震作用，计算模型如下：

图二：反应位移法计算模型

结构上的土层位移通过弹簧单元施加，通过计算出结构在深度方向产生的土层相对位移，然后转换为等效荷载直接作用在结构上。该方法能够真实反映结构的受力特点，在设计中也得到广泛的应用。

2车站抗震设计

2.1荷载计算

（1）顶板荷载计算：

恒载标准值：顶板覆土按3.31m考虑，荷载20x3.31=66.2kPa；

活载标准值：地面超载荷载，按20kPa；

（2）底板荷载计算：

恒载标准值：水浮力水位至地面以下0.5m，荷载10x（11.76-0.5）=112.6kPa

（3）侧墙荷载计算(采用水土分算):

恒载标准值：

梯形荷载的上底：水（3.31-0.5）x10=28.1kPa

梯形荷载的上底：土20×0.5×0.5+(3.31-0.5)×10×0.5=20.0kPa=19.1kPa

梯形荷载的下底：水（11.76-0.5）×10=112.6kPa

梯形荷载的下底：土20×0.5×0.5+(11.76-0.5)×10×0.5=61.3kPa

活荷载标准值：

地面超载产生侧压力：按10kPa；

（4）地震荷载计算：参照《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909-2014)中6.6中关于横向地震反应计算的反应位移法计算地震作用，其中土层位移采用规范附录E中的简单方法确定。E2地震工况：明清宫站超越概率为50年10%的地表峰值加速度依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》GB50909-2014为0.05g，地震动峰值位移为umax=0.03×1=0.03m。场地覆盖层厚度小于70米，设计地震作用基准面到结构的距离不宜小于结构有效高度的2倍，取H=70m。

2.2荷载组合

表2.2-1荷载组合分类表

注：1、括号数字内为当荷载对结构有利时的分项系数。

1）承载力极限状态的荷载效应组合

（1）荷载效应的基本组合（永久荷载效应控制的组合）

组合公式：

（2）荷载效应的偶然组合（地震作用效应组合）

组合公式：

2）正常使用极限状态的荷载效应组合

荷载效应的标准组合，组合公式：

2.3计算结果

模型采用sap2000计算：基本组合下弯矩如图下三；地震组合下弯矩如图下四；

通过计算分析发现，地震作用下工况不起控制作用，地震工况组合仅进行强度包络计算。构件的配筋是通过裂缝控制。同时发现，地震中惯性力对结构的内力影响不大，地震产生的剪应力对结构的影响还比较大，虽然地震力不起控制作用，但抗震设计时仍必须满足抗震设计的构造要求。从整个结构分析来看顶板中部变形和受力均较大，侧墙和顶板底板交接出应力高度集中，在发生地震时候容易在顶板各角部最容易发生破坏，因此在设计的时候必须采取相应构造措施加强。

3车站结构的破坏形式和应对措施

地下结构和地上结构的抗震分析存在着差异，主要表现在地下结构的动力变形收到周围地层的约束，一般自振特性不明显，同时地下结构对周围地基的影响也很小。如果把地下结构设计成为一个抵抗周围土层介质的地震运动和变形，显然是不现实的，必须在满足强度和稳定的情况下，尽量使地下结构具有强大的吸收地震荷载的能力即吸收地震产生的土体变形，而不是单单通过提高结构的刚度和强度来抵抗地震荷载的影响。

（1）通过对以往地震灾害对地下车站的分析发现，地铁车站中中柱的安全系数相对较低，应当在设计的时候适当加强。如果不考虑地震情况下，中柱一般承受竖向荷载较小，截面通常不大且截面箍筋也相对较小。然而在地震情况下此时柱子便成了薄弱部位，容易发生剪切破坏，几次地震灾害中也能证实这一点。因此我们可以适当加大柱子的截面，提高配箍率，控制柱子的轴压比来提高柱的延性。

（2）在顶板和侧墙、底板和侧墙交接处、中柱和顶板交接处容易发生应力集中，并且在地震荷载反复交替作用下容易产生较大裂缝，通常在此部位要采取加腋措施来提高该构件的延性。

4结论及建议

通过反应位移法计算地震工况不起控制作用，但必须根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909-2014)、《地铁设计规范》（GB50157-2013）规定采取相应构造措施，抗震构造措施一般不低于二级。结合不同的地质情况，对结构出薄弱环节及容易产生严重后果的部位予以适当加强，以此达到抗震设防目标。

目前地下结构抗震的计算方法也很多种，也存在着很多不足和争议的地方。因此在抗震设计时应结合地质情况，采取不同的计算方法，对于局部部位应当作补充计算。同时应该从概念上进行设计，使结构具有一定的延性和吸能储能的能力。

参考文献：

[1]GB50909-2014城市轨道交通结构抗震设计规范

[2]周军，刘昕铭.地铁车站抗震设计分析[期刊论文]-四川建筑2014.02

[3]刘根，杨运科，杨举明.地下结构抗震设计方法研究及评价[期刊论文]-四川建筑2008.28（5）

[4]朱尔玉地下车站抗震分析Seismicanalysisofsubwaystation[学位论文]2010