蔣興起

常州市軌道交通發(fā)展有限公司 江蘇常州 213022

1 地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)常用分析過程

1.1 抗震設(shè)防目標(biāo)

依據(jù)GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，城市軌道交通結(jié)構(gòu)的抗震性能要求分成下列3個(gè)等級：

性能要求Ⅰ：地震后不破壞或輕微破壞，應(yīng)能保持其正常使用功能；結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；不應(yīng)因結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致軌道的過大變形而影響行車安全。

性能要求Ⅱ：地震后可能破壞，經(jīng)修補(bǔ)，短期內(nèi)應(yīng)能恢復(fù)其正常使用功能；結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入彈塑性工作階段。

性能要求Ⅲ：地震后可能產(chǎn)生較大破壞，但不應(yīng)出現(xiàn)局部或整體倒毀，結(jié)構(gòu)處于彈塑性工作階段。

對于地下車站，當(dāng)經(jīng)受重現(xiàn)期100年的E1地震作用和重現(xiàn)期475年的E2地震作用時(shí)，需滿足性能要求Ⅰ的規(guī)定，當(dāng)經(jīng)受重現(xiàn)期2450年的E3地震作用時(shí)需滿足性能要求Ⅱ的規(guī)定[1]。

1.2 抗震設(shè)計(jì)方法

抗震設(shè)計(jì)中地震效應(yīng)的計(jì)算方法有反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法、非線性時(shí)程分析法等。根據(jù)GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對于重點(diǎn)設(shè)防類、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類地下車站結(jié)構(gòu)，采用反應(yīng)位移法或反應(yīng)加速度法進(jìn)行E2地震作用結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用反應(yīng)加速度法或非線性時(shí)程分析法進(jìn)行E3地震作用結(jié)構(gòu)性能分析。

采用反應(yīng)加速度法時(shí)，土體可采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)可采用梁單元進(jìn)行建模。模型底面采用固定邊界，側(cè)面采用水平滑移邊界。

采用非線性時(shí)程分析法時(shí)，可采用土-結(jié)構(gòu)動力互相作用的二維計(jì)算模型或者三維計(jì)算模型。計(jì)算模型的側(cè)面人工邊界距地下結(jié)構(gòu)的距離不宜小于地下結(jié)構(gòu)水平有效寬度的3倍，底面人工邊界宜取至設(shè)計(jì)地震作用基準(zhǔn)面且距結(jié)構(gòu)的距離不小于地下結(jié)構(gòu)豎向有效高度的3倍。

2 工程概況

該地鐵車站為地下兩層雙島四線越行站，標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱雙跨斷面形式，車站長647.6m、寬40.88m，單跨20.44m，頂板覆土3m，底板埋深20.2m，該地鐵車站抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震等級為三級，車站埋深范圍主要地層為淤泥層、粉質(zhì)黏土層及全、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場地類別為Ⅲ類，場地地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)為1.25。該地鐵車站選用反應(yīng)位移法進(jìn)行E2地震作用下的抗震性能驗(yàn)算，選用非線性時(shí)程分析法進(jìn)行E3地震作用下的抗震性能驗(yàn)算[2]。

3 一般使用工況及地震工況計(jì)算

3.1 靜力作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算

分別考慮最低水位工況（水位取至底板底）、最高水位工況（水位取至地面）進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)組合計(jì)算。車站兩跨跨度一致，靜力作用下內(nèi)力呈軸對稱特點(diǎn)，其中除低水位工況計(jì)算結(jié)果中頂板跨中與邊支座內(nèi)力比高水位工況計(jì)算結(jié)果大之外，其余特征截面受力均由高水位工況控制。

3.2 E2地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及包絡(luò)內(nèi)力

進(jìn)行E2地震作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，不驗(yàn)算裂縫寬度，地下水位按常水位（埋深1m）考慮，E2地震作用下慣性力、強(qiáng)制位移荷載為非對稱荷載，導(dǎo)致內(nèi)力計(jì)算結(jié)果非對稱，因此取最不利截面進(jìn)行受力復(fù)核。

3.3 E3地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

E3地震作用下重點(diǎn)設(shè)防類地下結(jié)構(gòu)的抗震性能要求為II級，須進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體變形性能分析。筆者采用非線性時(shí)程分析法對地鐵車站在E3地震作用下的整體變形進(jìn)行了分析計(jì)算[3]。巖土采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。計(jì)算模型底面采用固定邊界，側(cè)面采用黏性人工邊界，模型底面取至強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層面。以下就是 阻尼計(jì)算

邊界阻尼計(jì)算模型側(cè)面的黏性人工邊界，即在節(jié)點(diǎn)布置法向和切向的黏滯阻尼器，單位面積的阻尼系數(shù)根據(jù)如下公式計(jì)算：

式中：CP為法向阻尼，N·s/m；CS為切向阻尼，N·s/m；E 為彈性模量，MPa；μ 為泊松比；ρ 為密度，kg/m3；A 為面積，m2；G 為剪切模量，MPa；為體積模量，MPa。根據(jù)上述公式，邊界阻尼可由土體的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)計(jì)算得到。Midas GTS NX 能夠根據(jù)上述公式自動計(jì)算邊界阻尼。

4 結(jié)語

（1）通過對某兩層大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行多工況的計(jì)算分析并與地震工況結(jié)構(gòu)響計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比表明，地震工況下大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)主要受正常使用極限狀態(tài)裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)控制，抗震工況為非控制工況。

（2）對E3地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析可知，雖滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但由于人工地震波的局限性，建議考慮擴(kuò)大地震波的選取范圍進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)核。

（3）地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)受介質(zhì)的影響與地面結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有明顯的差異，但由于建筑功能限制、受力特點(diǎn)的不同，往往容易形成強(qiáng)梁弱柱、局部大面積開洞等結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式對抗震不利，在設(shè)計(jì)中需注重對內(nèi)框架部分豎向傳力構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)的重視，加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施，確保地震作用下“三水準(zhǔn)兩階段”抗震設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。