抗震地鐵工程安評專題

GTS

NX地下結(jié)構(gòu)抗震解析北京邁達斯技術(shù)有限公司 張在晨地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計背景01地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計背景近15年地鐵領(lǐng)域發(fā)展迅猛（黃金階段）1995年

46km，2015年3618km，遠景14000km地鐵建設(shè)面廣、量大全國超40個城市開展工作，每年建成300km～500km地鐵運營里程超4000km，成為城市基礎(chǔ)建設(shè)的龍頭地下空間開發(fā)是一種必然選擇當前，我國已進入城鎮(zhèn)化深入發(fā)展的關(guān)鍵時期，合理利用地下空間成為完善城市功能、推進智慧城市建設(shè)、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的必然選擇相較于上部結(jié)構(gòu)：地下結(jié)構(gòu)使用周期長、破壞隱蔽、受損后修復(fù)困難、損失巨大；越來越多的地下結(jié)構(gòu)在不利地層條件（地層條件復(fù)雜、包含可能液化地層等）中建設(shè)；國內(nèi)外地下結(jié)構(gòu)震害屢見不鮮；抗震問題亟需解決地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計背景20102009

2011質(zhì)[2011]13號文《市政公用設(shè)施抗震設(shè)防專項論證技術(shù)要點（地下工程篇）》2064-2009國標GB50111-2006(2009年版)上海DG/TJ08- 國標GB50011-2010

2011年住建部發(fā)布建2013國標GB50157-2013北京地標DB11/995-20132014 2018國標GB50909-2014 國標GB/T

51336-2018地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準抗震設(shè)計重視度提高，規(guī)范從無到有，從單一性到系統(tǒng)性的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計背景地下結(jié)構(gòu)抗震性能要求與地上結(jié)構(gòu)相比，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計使用周期不變，僅提高性能要求。地下結(jié)構(gòu)抗震分析案例計算方法、工程類別02大學(xué)城南站位于常州市武進區(qū)鳴新中路與鳳棲路丁字路口南側(cè)，沿鳳棲路敷設(shè)，鳳棲路南北走向，鳴新中路東西走向。車站設(shè)計中心里程為CK9+812.339。車站方案為13m島式站臺地下三層三跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，站中心底板埋深23.2m，車站凈長136.13m，凈寬21.9m，其中第二層為設(shè)備層，設(shè)電纜夾層板。頂板覆土厚約3m。本次地震動力時程分析采用大型專業(yè)巖土工程有限元分析軟件Midas/GTS進行，計算模型在豎直方向上取值為70m，橫向取160m，結(jié)構(gòu)底板處于6-4粉質(zhì)粘土層，地下墻伸至9-2粉質(zhì)粘土層。本次計算分析時僅考慮水平地震作用的影響。采用地震動時程的基準期為100年，超越概率為2%（E3

），加速度峰值為0.165g，時程采樣間隔0.02秒。通過在X方向施加地面時程加速度實現(xiàn)地震加速度的加載。罕遇地震地震波常州地鐵1號線大學(xué)城南站平面模型罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間相對水平位移為1.87e-2m，時刻為3.0s；結(jié)構(gòu)各點之間位移基本保持同步，差異較小，呈現(xiàn)出整體振動趨勢。根據(jù)時程位移曲線，罕遇地震作用下最大層間相對水平位移小于層間位移限制，所以本結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下變形滿足規(guī)范要求。整體模型地鐵車站結(jié)構(gòu)變形地鐵車站結(jié)構(gòu)變形地基變形常州地鐵1號線新橋站濟南市軌道交通R3線(奧體中心西站)北3號出入口4號出入口1、3號風(fēng)亭2號風(fēng)亭4號風(fēng)亭接控制中心加油站7號出入口2號出入口7號出入口本站位于經(jīng)十路與奧體西路交叉路口北側(cè)，為R3線與M3線換乘車站。近期實施的R3線部分沿奧體西路南北向設(shè)置。車站主體總長為355m，標準段寬度為22.9m，車站建筑面積約31212.12㎡（主體建筑面積23299.8㎡+附屬7912.32㎡

）。車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層（局部三層）島式車站，基坑采用明挖順筑法開挖施工，局部下穿電力管溝段采用蓋挖半逆做法施工。車站兩端均為盾構(gòu)法區(qū)間。反應(yīng)位移分析結(jié)果顯示，車站主體結(jié)構(gòu)在地震工況下，頂板部分位移變大，最大位移14.6mm。結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移差及層間位移角最大值分別為8.22mm和1/1255，層間位移角滿足規(guī)范要求限值（1/250）結(jié)構(gòu)彎矩圖模型位移圖結(jié)構(gòu)剪力圖結(jié)構(gòu)彎矩圖結(jié)構(gòu)軸力圖彎矩圖 中柱軸力圖通過進行地震工況時程分析，得出地震工況內(nèi)力，與基本組合及標準組合進行對比，地震工況結(jié)構(gòu)內(nèi)力均小于長期工況基本組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力。中柱最大軸壓比為0.74，滿足規(guī)范規(guī)定不大于0.75的要求。將山東省地震工程研究院提供的地震波參數(shù)輸入模型，進行時程分析。時程分析法使用邁達斯GTS建立地層模型進行計算。首先計算得出模型自振周期，然后定義模型邊界進行時程分析。區(qū)間盾構(gòu)隧道地鐵車站地下結(jié)構(gòu)明挖隧道不同結(jié)構(gòu)形式的抗震分析《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》計算方法 03地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范

》(

GB

50909

-

2014

)

表3

.

3

.

1

計算方法未明確給定適用條件；

缺少對土層參數(shù)取值的規(guī)定；反應(yīng)位移法中：

未明確區(qū)分反應(yīng)位移法I、II、III，

執(zhí)行過程中存在誤讀；

不適用于可液化地層結(jié)合《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》（

GB/

T51336

-

2018

）

計算方法進行反應(yīng)位移法一般而言，

地下結(jié)構(gòu)的視密度（

包括結(jié)構(gòu)物和內(nèi)凈空斷面的平均密度）

比周圍土體小得多，

如：

盾構(gòu)隧道的視密度約為1200

kg/

m

3

，

周圍土體密度為1600

～1700

kg/

m3

，

因此地下結(jié)構(gòu)的慣性力較小，

換言之，

其起振力較小，

自身很難起振。另外，

地下結(jié)構(gòu)受周圍土體的約束，

其能量耗散較快，

衰減較大。在相同高程處，

地下結(jié)構(gòu)及周圍地層的加速度反應(yīng)，

不管從頻譜特性還是最大值來看都比較接近，

而與地面結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)則差別較大。反應(yīng)位移法假設(shè)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計算可簡化為平面應(yīng)變問題，

其在地震時的反應(yīng)加速度、速度及位移等與周圍地層保持一致。因天然地層在不同深度上反應(yīng)位移不用，

地下結(jié)構(gòu)在不同的深度上必然產(chǎn)生位移差。將該位移差以強制位移形式施加在地下結(jié)構(gòu)上，

并將其與其他工況的荷載進行組合，

則可由按靜力問題進行計算，

來得到地下結(jié)構(gòu)在地震作用下的動內(nèi)力和合內(nèi)力。本質(zhì)屬于荷載結(jié)構(gòu)法，靜態(tài)算法，動態(tài)概念！除靜載外：1、地層的相對位移2、結(jié)構(gòu)慣性力3、地層剪力反應(yīng)位移法地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

反應(yīng)位移法I——《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》GB50307

附錄H地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

反應(yīng)位移法I地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

反應(yīng)位移法I1—設(shè)計基準面；2—地表最大位移；3—地下結(jié)構(gòu)；4—地層相對變形；1、地層的相對位移2、結(jié)構(gòu)自身慣性力3、地層剪力-矩形/圓形地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

反應(yīng)位移法I地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

反應(yīng)位移法II

采用反應(yīng)位移法II

進行地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計算時，

地下結(jié)構(gòu)所在位置的地層相對位移可由一維地層地震反應(yīng)分析或自由場地地震時程反應(yīng)分析確定?！?/p>

和反應(yīng)位移法I最大的區(qū)別點?！?/p>

非均質(zhì)地層中，

反應(yīng)位移法I會嚴重低估變形和受力，

應(yīng)使用反應(yīng)位移法II；——

成層地層中，

反應(yīng)位移法II在結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算中偏于保守。地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

整體式反應(yīng)位移法反應(yīng)位移法I和II

存在的問題）

反應(yīng)位移法采用集中地基彈簧來模擬結(jié)構(gòu)周圍土層，

而離散的地基彈簧之間互不相關(guān)，

無法真實反映際工程中土層自身存在的作用；）

反應(yīng)位移法采用地基彈簧來模擬土—

結(jié)構(gòu)間相互作用，

實際計算中發(fā)現(xiàn)，

地基彈簧系數(shù)的大小對結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算果有很大影響，

而地基彈簧系數(shù)難于準確確定；）

對于斷面形狀復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，

無法確定基彈簧系數(shù)

。整體式反應(yīng)位移法（

地層結(jié)構(gòu)法）——

地下結(jié)構(gòu)斷面形狀復(fù)雜、處于非均勻地層；——

地震作用包括等效輸入地震荷載和結(jié)構(gòu)自身慣性力；——

巖土體采用平面應(yīng)變單元，

結(jié)構(gòu)采用梁單元整體式反應(yīng)位移法計算流程）

通過對自由場地層有限元模型對應(yīng)巖土-

結(jié)構(gòu)交界面施加最不利時刻地層相對位移；

）

對該交界面內(nèi)的自由場土體施加最不利時刻地層水平加速度，

求得巖土-

結(jié)構(gòu)交界面位置節(jié)點反力即為等效輸入地震荷載；）

求解結(jié)構(gòu)周圍剪力。取步驟(

1

)

中求得的對應(yīng)于結(jié)構(gòu)頂、底面位置處的剪應(yīng)力，

同時取二者平均值作為結(jié)構(gòu)側(cè)面剪切荷載；）

求解結(jié)構(gòu)慣性力。取步驟(

1

)

中求得的對應(yīng)于結(jié)構(gòu)位置處的反應(yīng)加速度，

乘以結(jié)構(gòu)質(zhì)量作為結(jié)構(gòu)慣性力；）

建立整體式反應(yīng)位移法計算模型進行分析。建立土–

結(jié)構(gòu)相互作用模型，

模型邊界固定，

施加步驟(

2

)，(

3

)，(

4

)

計算得到的地震荷載，

進行靜力計算。地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

整體式反應(yīng)位移法地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法-

時程分析法1、包括等效線性化時程分析法和彈塑性時程分析法；2、采用等效線性化時程分析法時，土體材料本構(gòu)模型應(yīng)能反映應(yīng)力應(yīng)變骨干曲線和滯回曲線隨著循環(huán)剪切應(yīng)變幅值的非線性變化特性，并應(yīng)根據(jù)實際地勘與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)標定材料參數(shù)。3、當采用時程分析法進行結(jié)構(gòu)動力分析時，應(yīng)采用不少于3

組設(shè)計地震動時程；4、對于采用時程分析法或結(jié)構(gòu)壁為曲邊的抗震設(shè)計，應(yīng)采用數(shù)值分析方法計算起始靜應(yīng)力狀態(tài)。地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法總結(jié)地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法在MIDAS軟件的實現(xiàn)04本節(jié)以某單層雙跨地鐵車站說明反應(yīng)位移法II及時程分析法的建模過程。其橫斷面如下圖所示，結(jié)構(gòu)埋深5m，結(jié)構(gòu)材料C30混凝土，彈性模量3×104MPa,密度2.5×103kg/m3,考慮中柱在車站縱向等間距布置，中柱等效彈性模量為8.57×103MPa,密度為7.14×102kg/m3。土層名稱土層深度(m)容重(kN/m3)剪切波速(m/s)泊松比層數(shù)目1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土0~218.2129.10.4522粉土粉砂互層2~619.4152.70.3543砂土16~1020.9137.10.344砂土210~2019.3172.70.365砂土320~3220.9263.20.4266黏土32~4019.7491.60.4247強風(fēng)化砂巖40+225580.31一維自由場分析步驟4-1自由場分析是通過線性粘彈性場的垂直向透射剪切波的地震響應(yīng)分析。場地是由多個水平向無限地層和一個半無限的地底層構(gòu)成（右圖），假定每個地層是。均

質(zhì)的，土層材料是各向同性的震動是由剪切波引起的，震動僅表現(xiàn)為水平方向震動，剪切波可以沿著地層垂直方向進行透射和反射。三要素：地層、應(yīng)變相容特性、地震波一維自由場分析收斂地層建模+應(yīng)變相容性方程一維自由場分析-

剪切層法（

一維粘彈性分析方法）midas

GTS

NX

、Soil

Works均提供一維地層地震反應(yīng)分析的功能，

操作流程類似。軟件使用模塊剪切模量計算結(jié)果提取midasGTS

NX動力模塊-一維自由場分析公式手算N個土層提取N個結(jié)果midas

Soilworks二維動力模塊-自由場分析公式自動計算1個文件提取N個結(jié)果基本假定為：（

1

）

水平成層地層（

均質(zhì)地層也可以）；（

2

）

地震波為垂直向上傳播的剪切波；（

3

）

土體采用等效線性化的粘彈性模型輸入?yún)?shù)內(nèi)嵌的應(yīng)變相容特性函數(shù)對比（

與Proshake）輸出計算結(jié)果不同形狀斷面反應(yīng)位移法反應(yīng)位移法II計算繁瑣程度：馬蹄形>圓形>矩形（單聯(lián)通區(qū)域）反應(yīng)位移法II計算步驟4-2參數(shù)：地震作用的基床系數(shù)荷載：自重、土壓力、地震荷載邊界條件：僅受壓彈簧工況：重力工況、地震工況梁單元建模添加土彈簧地震荷載結(jié)構(gòu)部分邊界條件荷載部分工況組合自重&地震1基床系數(shù)2地震荷載3地震工況反應(yīng)位移法II-

計算流程反應(yīng)位移法II-

基床系數(shù)取值《城市軌道交通