地铁车站结构抗震设计分析

2021-08-26王文君

工程技术研究 2021年12期

王文君

中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308

地铁车站通常建设在地下，地震作用对地铁车站结构的破坏性较大，因此必须积极采用抗震结构设计措施，提升地铁车站建设的抗震效果，为地铁系统安全、有序施工进行打好设计基础。

1 地铁车站结构抗震设计的意义

当前，我国各城市地上交通运行压力越来越大，为了解决城市人口与地面交通资源的矛盾，很多城市已经开始积极进行地铁系统建设，地铁工程建设越来越多。地铁车站是地铁系统的重要部分，车站结构空间较大，且人员疏通与保护结构较多，又建设在城市地底，容易受到地震运动的影响，因此必须根据当地地质及地震环境特点进行地铁车站结构抗震设计，不仅需做好前期地震作用下结构位移的分析，还需做好地震环境下的人员疏散结构设计，为地铁车站的安全运营提供保证。

2 地铁车站工程概述

徐州市地铁6号线一期第11号车站为紫金路车站。该车站为6号线，具备与5号线换乘功能覆盖。6号线与5号线车站在东北向西南设有联络线。6号线车站部分设置单渡线，为地下三层双柱三跨地下箱形结构，5号线车站部分为地下两层双柱三跨箱形结构，联络线围合区域为两层多跨地下箱形框架结构，并设计有物业开发点。

3 地铁车站结构抗震设计

3.1 抗震位移分析

该车站位于抗震设防烈度7度区内，建筑场地类别为Ⅱ类，设防地震设计特征周期为0.4s，设防地震基本加速度为0.1g。根据抗震计算相关要求及《徐州轨道交通6号线一期工程工程场地地震安全性评价报告》，设防地震为50年超越概率10%，罕遇地震为50年超越概率2%。针对每种重现期地震，安评报告给出3组地震波，根据给出不同概率水平的地震动时程。采用GTS-NX有限元分析软件，对车站抗震进行整体建模验算和动力里程分析空间计算，采用黏弹性人工边界，分析车站三维状态下的抗震变形状态。紫金路站结构初始状态有限元分析模型如图1所示。

图1 紫金路站结构初始状态有限元分析模型

在X方向地震波荷载作用下，车站结构的最大位移为23.07mm，最大值出现在车站与联络线区域北侧区域，换乘节点的最大位移约为12mm。在Y方向地震波荷载作用下，车站结构的最大位移为25.9mm，最大值出现在5号线车刀把收口处，换乘节点的最大位移约为10.25mm，如图2和3所示。

图2 车站地震工况下结构X向位移

图3 车站地震工况下结构Y向位移

通过有限元软件分析，说明车站在水平向地震力作用下，车站的变形最大位置一般出现在结构平面发生变化或者收口位置（如车站刀把位置），因此在车站结构设计中需要针对性加强此类位置的结构侧向刚度。

3.2 车站抗震构造设计

从结构的地震响应来看，顶、底板支座和土岩分界面的受力较大，因此，该车站需采取抗震措施，以确保结构，在地震作用下能够具有足够的抗震性能。同时，加大车站形变较大方向上竖向受力构件（如混凝土墙、柱）的侧向刚度，以减小地震对车站的影响。根据工程场地的地震地质条件和车站结构的形式、跨度布置特点，采取以下抗震措施。

（1）框架抗震遵守“强柱、弱梁、更强节点核心区”，严格控制中柱轴压比(二级），保证中柱的延性。中柱纵向受力钢筋的配筋率按不大于5%控制，钢筋在同一截面内的钢筋接头不宜超过全截面钢筋总数的50%，在搭接接头范围内，箍筋间距≤5d，且应＜100mm。柱箍筋加密区的箍筋最大间距应为8倍箍筋直径与100mm中的最小值，箍筋最小直径应取8mm。

框架梁是框架结构在地震作用下的主要耗能构件，为了对节点核心区提供约束以提高其受剪承载力，梁宽不应小于柱宽的1/2，通过适当加宽梁截面，降低梁截面的剪压比。

（2）框架节点区处理处理：框架节点核芯区配箍特征值不宜＜0.10，且体积配箍率不宜＜0.5%。柱剪跨比不大于2的框架节点核芯区，体积配箍率不宜小于核芯区上、下柱端的较大体积配箍率。在框架中间层的中间节点处，框架梁的上部纵向钢筋应贯穿中间节点；框架柱的纵向钢筋应贯穿中间层中间节点和中间层端节点，柱纵筋接头应设在节点区以外。

3.3 地铁车站结构抗震设计优化措施

在设计过程中，考虑到地铁车站的稳定性，在地铁车站中加入抗震的相关设计。地下结构在地震过程中因为受到土体的包裹约束所受到的地震冲击相比地面结构弱。但发生在日本的某次地震导致地下建筑受到较大损毁，给地铁设计建设敲响了警钟。为了防止地震破坏地铁设施，提出将抗震结构与地铁车站主体结构进行融合的设计思路，是在设计中需要重点解决的问题。因此，相关的设计人员应当先对抗震结构进行细致的了解和研究，才能将抗震结构更好地融入车站设计中。

（1）坚持正确的设计原则。正确的设计原则是设计过程中的首要任务，首先应当遵循功能的合理化以及结构的标准化。在进行抗震设计中，首先应当选择合适的场地。因此，需要对地铁施工沿线进行全面分析，如对工程地质情况的分析等。在此基础上，需选择更加符合抗震设计要求的地铁车站结构。这是保证设计正确性原则的前提条件。然后，进行地铁车站的结构形式的确定，需要进行合理性判断，以保证地铁车站设计的合理性和稳定性。

（2）优化具体设计。在对地铁车站结构设计中加入抗震设计，其中设计优化是保证地铁车站最终效果的最有效的措施。为此，需要相关设计人员能够通过设计过程中所涵盖的内容进行多角度和形式的研究分析，最终确定与抗震设计相关的设计思路。

具体的优化设计过程应当优先选择场地，首先设计预案应当通过对施工现场的地质环境进行勘查，避免建设施工时进入危险地段开展结构施工。这是控制地铁车站施工建设风险的重要措施，是对地铁公司经济效益的重要保障。

（3）优化抗震结构设计方式。在抗震结构设计过程中，一般通过抗震结构组成对整体建筑结构稳定性的基础内容的设计思路。该设计思路是较为传统，在抗震结构中的设计效果并不理想，导致建筑主体的抗震性能可能出现严重的问题。因此，应当在抗震结构设计过程中对设计方案进行深入细致的研究。在抗震设计前，应当明确是否能够对抗震水平和当地的抗震类型、等级进行确定。在此基础上，有助于对地铁车站进行科学合理的设计。

4 抗震设计效果分析

通过验算以及模型分析可知，在当前的抗震设计结构中施加地震波作用，结构的层间位移角最大值均在1/550以下，因此可以判断抗震设计下结构的弹性效果符合抗震设计计算的要求，构件截面及配筋的验算结果满足抗震设计计算要求，即整体抗震效果较好。在设防地震波动作用环境中，地铁车站中柱轴压比＜0.75，没有超限现象，能够达到地铁车站运行的抗震要求。