某典型地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震分析

1、某典型地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震分析摘 要：文中針對某兩層兩跨的典型地鐵車站結(jié)構(gòu)，建立起三維計(jì)算模型，其中考慮了土體的非線性和結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，分析了其在不同幅值的人工地震波作用下的地震響應(yīng)規(guī)律，指出了結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位，并從結(jié)構(gòu)柱端彎矩和結(jié)構(gòu)變形兩方面評價(jià)了結(jié)構(gòu)的抗震性能。計(jì)算分析表明該結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)整體滿足抗震要求。論文研究成果可供相關(guān)類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：地鐵車站結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)；抗震性能；框架結(jié)構(gòu)一、引言 隨著城市地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，城市地鐵已成為城市整體抗震防災(zāi)的重要組成部分，另外，地下結(jié)構(gòu)一旦在地震中發(fā)生破壞，其修復(fù)成本也及其高昂，其抗震性必須引起足夠的重視。因此，地下

2、結(jié)構(gòu)的抗震分析是目前抗震分析領(lǐng)域的熱點(diǎn)1-3。二、計(jì)算模型 該結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示，為兩層兩跨的框架結(jié)構(gòu)，水平縱向長 192m（縱向柱距 8m），水平橫向?qū)?24m，高 12m。 基于已有研究成果4，計(jì)算范圍選取如下：水平橫向?qū)挾龋喝〗Y(jié)構(gòu)橫向?qū)挾鹊?5 倍；水平縱向長度：由于本文僅考慮水平傳播的 SH 波，因此，模型可按平面問題考慮，縱向長度取單位寬度即可；豎向深度：根據(jù)該處的地質(zhì)鉆孔資料，在零下 50m 左右即到達(dá)了基巖面，因此，豎向深度取 50m。則計(jì)算模型如圖 2 所示。 靜力計(jì)算時(shí)，模型四個(gè)側(cè)面均取固定邊界，底部取為豎向固定、水平自由的邊界，表面為自由變形邊界。動力計(jì)算時(shí)在模型的四個(gè)

3、側(cè)面上均采用自由場邊界條件5，底部取為豎向固定、水平自由的邊界，頂面為自由變形邊界。 動力計(jì)算時(shí)，在地下 50m 基巖處輸入未來 50 年超越概率為 10%和 2%的地震動加速度進(jìn)行中震和大震計(jì)算其幅值分別為 52gal 和 96gal。中震的加速度時(shí)程及頻譜特征曲線如圖 3 所示。 其中采用等價(jià)線性化方法考慮土體的非線性特性，計(jì)算參數(shù)見表 1 所示。車站結(jié)構(gòu)的混凝土材料選用 MC 模型，參數(shù)按 C30 混凝土選取。三、計(jì)算結(jié)果1柱端彎矩 圖 4 和圖 5 分別為中震和大震時(shí)柱端彎矩時(shí)程曲線，由圖可見，柱端彎矩最大值分別為 844KN*m 和 1934KN*m，與靜力時(shí)的柱端彎矩值（155KN

4、*m）相比，增量非常大。由此可見，柱子為軸向受力構(gòu)件，靜力時(shí)柱端彎矩較小，而在地震作用下，柱子兩端相對位移增加導(dǎo)致柱端彎矩有較大的增幅，是結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位。2結(jié)構(gòu)變形分析 本小節(jié)通過選取車站結(jié)構(gòu)上幾個(gè)具有代表性的點(diǎn)，分析車站結(jié)構(gòu)在地震過程中的變形?？紤]車站結(jié)構(gòu)為兩層兩跨的對稱結(jié)構(gòu)，選取的點(diǎn)的位置為柱子車站頂板、中板、底板的交接處，上柱兩端的相對位移以 upper 表示，下柱兩端的相對位移以 bottom 表示。由于本文僅考慮水平橫向地震響應(yīng)，因此，分析這點(diǎn)的水平橫向相對位移。 圖 6 為中震時(shí)結(jié)構(gòu)頂板 3 個(gè)不同點(diǎn)水平橫向位移時(shí)程曲線，的圖 7 和圖 8 分別為中震和大震時(shí)柱端水平橫向相對位

5、移時(shí)程曲線，由圖可見： （1）在橫向剪切地震波作用下，結(jié)構(gòu)頂板的橫向變形最大，中板次之，底板最小，柱子兩端橫向相對位移在中震和大震時(shí)分別為 13mm 和 29.4mm； （2）沿結(jié)構(gòu)縱向頂板各處節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線幾乎一致（圖 6），表明車站結(jié)構(gòu)在中震水平作用下以一個(gè)整體在運(yùn)動，即車站結(jié)構(gòu)有良好的整體抗震性能； （3）在中震和大震時(shí)結(jié)構(gòu)的層間位移角分別為：13/4,000=1/308 和 29.4/4,000=1/136，可見中震時(shí)結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段，在大震時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段。四、結(jié)論 本文計(jì)算分析了某典型框架地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律，可得到如下結(jié)論： 1）與結(jié)構(gòu)邊墻相比，地下框架結(jié)構(gòu)中的框架

6、柱是最薄弱的構(gòu)件，極易發(fā)生柱端的剪切破壞和柱子中間的壓彎破壞，框架柱的破壞會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頂板等構(gòu)件的破壞，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。因此，柱子是地下框架結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位； 2）結(jié)構(gòu)頂板的變形最大，由此可見，淺埋不利于結(jié)構(gòu)的抗震，但埋深過大，會增加造價(jià)。因此，需綜合考慮工程造價(jià)和結(jié)構(gòu)抗震安全性，以確定結(jié)構(gòu)的埋深； 3）結(jié)構(gòu)在中震時(shí)結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段，而在大震時(shí)雖進(jìn)入塑性階段，但結(jié)構(gòu)整體性仍較好。因此，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好。參考文獻(xiàn)1 Samata S，Ohuchi H and Matsuda T. A study of the damage of subway structures during t

7、he 1995 Hanshin-Awaji earthquakeJ.Cement and Concrete Composites，1997，19（3）：223-239.2 An X. H.，Shawky A. A. and Maekawa K. The collapse mechanism of a subway station during the Great Hanshin earthquake J.Cement and Concrete Composites，1997，19（3）：241-257.3 Huo H.，et al. Load transfer mechanisms between underground structure and surrounding ground：evaluation of the failure of the Daikai station J.Journal of Geotechnical and Geoenvi ronmental Engineering，2005，131（12）：1522-1533.4 孔戈.盾構(gòu)隧道地震響應(yīng)分析及抗減震措施研究D.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.5 Ita