刘金波

辽宁省交通规划设计院有限责任公司

软土中地铁结构非线性地震反应浅述

刘金波

辽宁省交通规划设计院有限责任公司

在不同地震作用力下研究力学方面非线性地震反应是十分必要的。本文分析了回填土密实度及地连墙对车站结构地震反应的影响。结果表明，在地震作用下，结构的变形沿高度方向增加；地铁车站中柱顶、底受到交替拉压应力，且出现较大的拉伸损伤，是抗震薄弱部位。

软土；地铁结构；非线性地震反应

一、有限元模型介绍

这篇文章分析的地铁结构中车站选用2层双柱3跨结构，左﹑中﹑右跨别离宽7.05米﹑5.50米﹑7.05米，边墙厚度为0.80米；宽21.2米，车站结构高12.49米，上层高3.55米，底层层高7.09米，底﹑中﹑顶板厚度别离为0.80米﹑0.35米﹑0.70米；中柱直径0.80米，底层中柱有0.90米×0.90米×1.10米的柱承台，柱距离9.0米；隧道到底板和边墙的距离别离为0.40米和0.22米，衬砌结构外径6.2米，管片厚0.35米。楼板与侧墙的相交处做加掖处理，沿车站轴线方向在中柱与顶板﹑中板的衔接处设置纵梁。

通过引入损伤因子，来反映混凝土准脆性材料在周期性动荷载作用下后续屈服的损伤机理，分别选用两个损伤变量来描写混凝土受压损坏和受拉时两个不同的刚度减弱。车站结构选用C30混凝土，地铁选用C50混凝土，其物理参数见表1。土体选用均质土层，以某市区典型粉质黏土为例进行模仿，为探求规则起见，视土体为弹塑性体，遵守ohr-Coulob屈从原则，土体重度γ=19kN/米3，内摩擦角φ=25°，黏聚力c=20kPa，紧缩模量Es=5Mpa泊松比v=0.3。

地铁结构长度24米。模型中选用自在场边界条件进行动力分析，为消除边界对结构动力反响的影响，根据已有研讨，地基宽度取结构宽度的11倍，即240米，高为120米，前后间隔54米，从模型底部水平向输入地震波进行结构动力响应分析。在静力分析时侧向边界选用水平向束缚和竖向自由的滚轴边界，在动力分析中选用侧向边界水平向自由和竖向束缚的滚轴边界，顶面皆为自由变形边界。(见表1)

二、结构地震反应结果及分析

1﹑软土侧向大变形是形成地下结构严重震害的主要因素，地下结构可能会因土体变形过大而发作损伤甚至破坏。在El-Centro波和天津波作用下，车站侧墙顶﹑底之间的最大相对水平位移发生在左摆时，位移峰值分别为0.86厘米0.33厘米，人工波作用时最大相对水平位移发生在右摆时，位移最大值为0.73厘米。在El-Centro波作用下，地铁洞顶﹑底之间的最大相对水平位移发生在左摆时，相对水平位移峰值为0.13厘米，在天津波和人工波激震下，最大相对水平位移发生在右摆时，最大值分别为0.31厘米和0.30厘米。由上述计算结果可知，关于车站侧墙和地铁结构水平位移沿高度的变化趋势是同时的，都是从下往上逐渐加大，结构顶部的水平位移反响最大，表现了结构水平刚度较小的特点。

2﹑因为地震作用时截面应力情况随时间不断改变，应力情况不足以反映结构的地震反响，所以选用损伤程度和应力情况同时描绘结构在地震中的损坏程度。损伤指数代表着结构的地震损伤程度，损伤指数0和1别为结构完全无损伤和完全损伤情况。研究标明，在地震作用下，混凝土结构主要发生受拉损伤，受压损伤程度较小，

因此本文仅就结构的拉伸损伤指数dt进行分析。当dt＞0时，混凝土开始出现拉伸裂缝；当dt＞0.75时，混凝土由微观裂缝进入微观裂缝期间，裂缝逐渐贯穿，损伤值接近于1时，混凝土彻底丧失抗拉强度和沿裂缝方向的抗剪强度。根据不同的地震波作用下结构的受拉损伤云图，能够看出，与结构的相对水平位移反应相似，El-Centro波对结构的拉伸损伤影响显着小于天津波和人工波。地铁结构因为选用C50混凝土而且未考虑接头螺栓的作用，并未出现显著损伤，结构的拉伸损伤集中于车站结构。当输入El-Centro波时，车站最大拉伸损伤指数dt=0.7730，出现于上层中柱底部，模型中塑性损伤单元数较少，并未贯穿中柱横截面；在天津波和人工波作用下，车站中柱出现较大面积的塑性损伤，拉伸损伤指数dt分别达到了0.9439和0.9582，发作在上层中柱顶部，而且在柱顶﹑底处有裂缝贯穿横截面的趋势，这些部位的混凝土有丧失抗拉强度和水平向抗剪强度的危险。

结语

地铁结构中柱顶﹑底端是抗震最不利部位，在地震作用下，中柱受到较大的应力，或许逾越其极限承载力而发生损坏；车站与地铁连接处的墙体在地震作用下也会出现一定程度的拉伸损伤，在抗震设计时应予以重视；地震波的频谱特性明显影响地铁地下结构的震害程度，土体对高频地震波存在滤波作用，对低频地震波起到扩大效应。地下结构的地震反应程度由地震动特性及周围土体特性同时决定。

[1]左熹，陈国兴，王志华，等.软弱场地上地铁车站结构近远场地震[J].土木工程学报，2010，(12)：299-301.

[2]王国波，马险峰，杨林德.软土地铁车站结构及隧道的三维地震响应分析[J].岩土力学，2010，(8)：252-254.

表1 混凝土动力本构模型参数