大跨度Y形柱地铁车站抗震分析

2021-03-31劳志伟杨建烽

四川建筑 2021年1期

劳志伟, 杨建烽

(西南交通大学，四川成都 610031)

随着城市轨道交通的快速发展，地铁车站出现了各种具有特色的结构型式。高断面、大跨度、大柱距、异形柱成为大型地铁车站首选的结构型式。但是目前关于大型复杂异形柱车站抗震性能的研究较少，特别是异形柱在地震中的动力响应方面的研究更加缺乏。郝志宏[1]研究了三种地震波对不同埋深车站的地震影响；马伟东[2]建立了地铁车站三维模型，分析了车站各部件在地震作用下的动力响应。刘彦坡[3]使用反应加速度法，分析了不同荷载工况下，两柱三跨地铁车站的内力值。

1 工程概况

广州地铁某车站使用明挖法施工，埋深4 m，车站标准段为三层三跨结构，采用了Y形立柱。标准段断面宽45 m，高28 m，负一层高度为11 m，顶板厚1.1 m，中板厚0.6 m，地板厚1.2 m，侧墙厚1 m。Y形柱底部尺寸为2 m×1.2 m，纵向间距18 m，横向间距14.6 m，分叉跨度6.3 m，分支沿车站纵向布置。整个车站属于大跨度、大层高的结构。土层分布及物理参数见表1。

2 建立模型

2.1 计算模型建立

模型的建立采用有限元软件MIDAS GTS，土体和结构使用实体单元。纵向选取车站的五跨进行分析，模型整体尺寸为145 m×90 m×82 m，见图1。模型的四周采用自由场约束，底部采用固定约束。

图1 有限元模型

2.2 特征值分析与地震波输入

首先在边界条件下对模型进行特征值分析，得到模型第一、第二阶振型的自振周期分别为1.618 s和1.397 s，以此作为动力时程分析所需要输入的结构自振周期。

动力输入采用1995年测得的日本阪神地震波，其地震加速度时程曲线见图2。地震动持续时间取4 s，时间步骤间隔取0.02 s。广州地区的抗震设防烈度为7度，计算中基本地震加速度值取0.10g。

图2 日本阪神加速度波时程曲线

3 计算结果分析

对地铁车站进行抗震分析，最主要的是观察车站结构的相对水平位移。为了便于分析车站的变形情况，以模型底部水平位移值为参考，车站结构相对于模型底部的水平位移见图3。可以看出车站底板的相对水平位移值最小，为11.3 mm，埋深越浅的位置水平相对位移越大，顶板的水平相对位移值达到了34.2 mm，顶底板的水平位移差值为22.9 mm。

图3 车站相对水平位移云图

在车站中间横断面的侧墙和Y型柱上沿埋深方向布置位移测点，监测点布置见图4。在地震动过程中，各测点的最大水平位移如图5所示。

图4 监测点布置

图5 监测点相对水平位移

从图5可以看出侧墙与Y形柱离底板越远的位置，水平相对位移值越大。两者的位移值相差不大，说明侧墙与Y形柱变形协调，地下负一层Y形柱的V形立柱没有引起车站结构形式的突变，车站整体协调性能较好。

选取车站中间跨的横断面做层间位移分析，车站各层的层间位移曲线图见图6，各层的层间位移角计算见表2。

图6 各层层间位移差

从图6可以看出，车站各层的层间位移差变化趋势一致，位移曲线变化比地震波滞后0.3 s，层间位移最大发生在3.98 s。从表2可以看出，车站各层的层间位移角均小于1/1000，满足GB/T 51336-2018《地下结构抗震设计标准》中对三层及三层以上地下结构的抗震要求。车站地下一层的层间位移最大，为8.2 mm，而层间位移角最大值发生在地下二层，为1/1070。主要是因为车站纵向单跨跨度达到了18 m，地下一层中柱为V形结构，而地下二、三层仍然采用的矩形中柱，其柱子顶端之间的跨度较地下一层的大，柱子的截面面积也较地下一层要小，导致地下二层的整体稳定性比地下一层差。