黄满斌

辽宁省交通规划设计院

地铁车站结构抗震设计简述

黄满斌

辽宁省交通规划设计院

轨道交通是城市交通运输体系中重要组成部分，但目前对地铁车站结构抗震设计研究远远不够。本文通过对地铁车站结构的抗震设计案例进行分析，发现在地震作用下标准车站二维计算是比较常用的，仅有部分建筑面积超过1万平方米的车站采用三维计算。通过归纳，在地震作用下车站中柱的内力大于在静力荷载作用下的内力，在地铁车站结构抗震设计过程中应该对中柱的抗震设计应该采取构造加强措施。

地铁车站；结构设计；抗震计算

一、地铁车站震害机理分析

地铁车站的震害形态多样，其差异性与地震的强度﹑震源深度﹑地震波的动力特性﹑地质条件﹑车站周围土体介质﹑车站结构以及地震力的作用条件都具有很大的相关性，除此之外，地铁车站的震害形态还与施工方法有着密切关系。地铁车站结构地震时破坏主要原因是受地震主要效应及次要效应所造成的。此效应主要包含两个方面：

二、实例

结合地勘资料，地震波特性，分析出模型的位移角及内力，分析中柱抗震及具体措施：

1﹑工程概况。某地铁车站主体结构采用地下两层双跨箱型框架结构。地面标高取3.25m，结构顶板上表面标高0.25m，覆土厚度取为3.0m。结构总高度13.38m，抗浮水位标高2.15m。抗震设防烈度为7度﹑设计基本地震加速度值为0.10g﹑设计地震分组为第一组。50年超越概率10%所对应的地面平均峰值加速度为0.0996g，场地类别为Ⅲ类，E2地震作用下的抗震性能验算采用反应位移法计算，E3地震作用下结构的变形性能采用非线性时程分析法计算。

2﹑反应位移法抗震计算。本站覆盖层厚度小于70m，结构有效高度13.38m，底板埋深约16.38m，取本站基准面埋深H=45m，某站场地深45m深处的地层波速满足大于500m·s-1的要求。对顶板﹑左侧墙﹑右侧墙以及底板计算其位移﹑深度﹑地表位移﹑相对位移与等效节点力等数据。计算结果如表所示。

3﹑非线性时程分析法抗震计算

(1)模型建立。取地下结构和土层的典型断面，根据结构的具体的几何形状﹑荷载和受力特征，将实际的三维空间问题简化为二维平面应变问题，按各向均质﹑各向同性粘弹性体考虑，采用GTS NX建立分层半无限空间模型，土层采用平面应变单元﹑结构采用梁单元。动力荷载作用下，模型各层之间假定不发生脱离和相对滑动，界面满足层间位移相互协调性。土层单元的尺寸为1m×1m，计算模型底面采用固定边界，侧面采用粘弹性人工边界。模型底面取至强分化岩层面，顶面取地表面，侧面边界到结构的距离取结构水平宽度的3倍。计算模型同时考虑自重﹑地面超载和地震作用，在抗震分析的工况前添加自重作用下的静力分析工况，计算模型在静力计算获得应力场后，进行动力计算，同时进行荷载组合。

(2)特征值分析。通过特征值分析计算前两阶振型的自振频率。特征值分析时不施加任何阻尼(包括边界阻尼)及荷载，只有底面的固定边界，然后对特征值进行分析，确定其自振周期与自振频率。根据结果可知，第1阶和第9阶振型的水平方向有效质量比例最高，分别达到63.48%和6.75%，故取这两阶振型的自振频率，该两阶振型的自振周期分别为0.3959s和0.8694s；土体阻尼比按常量0.05考虑。计算得出特征值如下：

(3)非线性时程分析结果。每组地震波截取0-25s这一段的加速度时程曲线进行计算，时程分析持续时间设置为25s，时间增量设置为0.02s，中间值输出时间间隔设置为1s。使用振型阻尼进行计算，输入第1阶和第9阶振型的周期和阻尼比，阻尼比按照0.05考虑，在进行计算前，需对测点进行预先设置。

第一组地震波作用下，负一层最大层间相对位移为9.674mm，对应最大层间位移角为1.12×10-3；负二层最大层间相对位移为8.045mm，对应最大层间位移角为1.278×10-3，时间点为地震波作用第16s。三组地震波作用下结构断面主要发生剪切变形，车站结构的层间位移角均小于规范限值4×10-3，满足抗震规范要求的弹性限值及弹塑性限值。层间位移角汇总：

结语

通过对地铁车站结构抗震工况的计算以及分析，同时结合车站的自身特点，认为反应位移法和非线性时程分析比较适合不同埋深以及不同土层条件下的抗震设计。同时在一维土层地震反应分析结果的基础上得知在均匀土层下，位移法及非线性时程分析计算得出的结果表明抗震设计过程中应该对中柱采取构造加强措施。

[1]刘凌宇.典型地铁车站结构设计中地震作用的影响浅析[D].中国地震局工程力学研究所，2014(10)：12-14.

[2]李新星，陈鸿，陈正杰.地铁车站结构抗震设计方法的适用性研究[J].土木工程学报，2014(02)：323-325.