大跨度无柱式地铁车站抗震性能分析.docx

          大跨度无柱式地铁车站抗震性能分析                    摘要：地铁是现在城市出行的主要交通工具，对缓解交通拥堵、便利人民群众出行，起着重要作用目前国内外大部分地铁车站主要采用的结构体系是箱型，取消公共区中柱的设置，对提升公共区的空间效果，加强建筑功能，具有较大意义，但中柱的减少也使得结构刚度受到一定的减弱，本文基于某一地铁车站实例，采用Midas/NX岩土模块对结构的抗震功能进行有限元模拟，对其抗震工况下的功能进行分析，以指导类似项目的设计、施工关键词：无柱；结构；抗震；数值0 引言国内外大部分地铁车站主要采用的结构体系是箱型，老城区受原有规划水平的限制，修建地铁会受到包括管线、用地、已有建构筑或其他方面等条件限制，且该区域人口密度大，拆迁动辄造价过高，为减少造价并避免对原有居民的影响，车站将不能保证采用常用的结构跨度而不得不压缩结构跨度为了满足车站建筑使用功能，在保证安全的前提下，摸索取消中柱的设置，可增强建筑空间效果，加大车站净空，但相应的由于大跨度无柱车站减少了中柱，也使得结构的刚度有了较大的削减，为确保地下工程的抗震安全，本文基于某地铁站采用Midas/NX岩土软件进行数值分析，对比结构在不同受荷工况下的规律。

1 工程概况1.1 工程概况该站站位地形起伏相对较大，地势西低东高，高差约15m 左右，采用暗挖法施工，拱顶埋深20～35m，覆岩17～39m，地质以微风化花岗岩为主，围岩以Ⅲ级为主，围岩均匀性及自稳性均较好，在拱部采用大拱脚形式，采用常规初支，二衬采用变截面断面整体断面为单拱双层车站的形式，标准段横断面宽20.5m，高16.5m1.2 水文地质情况地层以全晶质粗粒花岗岩为主，细粒花岗岩、煌斑岩、花岗斑岩等浅成相岩脉穿插其中，与花岗岩岩基组成复合岩体，基岩面随地形地貌略有起伏，本站以微风化花岗岩为主地下水不发育，主要赋存在第四系松散砂土层及基岩的裂隙中2 抗震设防基本要求2.1 抗震设计条件根据国家地震安委会批复的本条线路的地震动参数，50年超越概率水平为10%的地震基岩峰值加速度为95cm/s2（0.097g），抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级，地震动反应谱特征周期为0.35s根据抗规并结合本工程具体情况综合判定：建筑场地类别为Ⅰ1类；区段地质条件简单，划分为对建筑抗震有利地段该车站没有可能液化的土层，不存在砂土地震液化问题本工程结构按抗震等级采取相应的抗震措施，抗震设防分类为乙类，本次抗震设计加速度时程曲线由省地震工程研究院提供。

2.2 抗震设计方法2.2.1 静力法结构沿纵向连续、规则，按平面应变考虑，在完成自重反应的基础上，再在土-结构相互作用模型中施加水平等效惯性加速度，以此计算结构真实地震反应，将土体模拟为地基弹簧针对不同的工况和荷载条件求，分别进行承载能力的计算和稳定、变形，裂缝宽度验算（地震工况除外）及罕遇地震工况下结构变形验算2.2.2 时程分析法该方法分析时需综合考虑静力荷载作用及地震动力效应对结构产生的影响一方面，静力荷载（仅考虑除地震作用力外的恒载、可变荷载）计算采用Midas结构工程系统软件程序；另一方面完成动力时程分析计算后，将计算位移指定施加在结构上（结构模型中底板边界按固定考虑，其他边界按自由考虑），最后对静力、动力计算模型内力计算结果进行组合叠加后得到地震工况下结构内力包络设计值3 静力法3.1荷载及其组合结构根据按可能出现的最不利组合进行计算在确定荷载时需考虑施工影响，车站结构计算时考虑荷载如表1所示表1 主要计算荷载荷载类型荷载名称永久荷载自重地层压力车站上部和破坏范围的设施及建筑物压力收缩、徐变设备重量地基下沉影响力可变荷载基本可变荷载地面超载超载引起的水平分力消防车荷载及其动力作用其他可变荷载温度变化影响施工荷载偶然荷载地震左右人防作用荷载组合如表2所示表2 荷载组合表3.2 计算模型结构按作用在弹性地基上的框架结构采用Midas建模，地层模拟为不同地基系数的弹簧，采用“荷载-结构”模型。

图1 结构计算简图3.3 计算结果选取宽断面计算分析，取各构件中心线绘制计算简图，各阶段计算结果如图2~图4所示：图2 地震工况弯矩图图3 地震工况剪力图图4 地震工况轴力图4 时程分析法4.1计算参数选取根据项目的《工程场地地震安全性评价报告》，站位于剥蚀残丘、剥蚀斜坡，坡度大，地下水位埋深受地形变化控制，基岩多裸露，主要由硬质岩组成，平缓地带有薄层残积物覆盖，由于人工改造，表层覆盖厚度不等的人工填土计算50年超越概率63%、10%、2%及100年超越概率10%和2%共5种概率水准的基岩水平峰值加速度分别为19.4gal、79.1gal、170gal、111.9gal、225.2gal，持时参数分别为6.0s、6.5s、6.9s、6.9s、7.8s图5 50年超越概率10%基岩水平地震动时程进行场地土层地震动力反应分析，需要的土层剖面的土层分层厚度、土层土体性状描述、力学特性等资料详见表3表3 岩土层动力物理参数序号土性描述土层深度(m)层厚(m)剪切波速Vs(m/s)密度(kg/m3)1杂填土1.81.8173.917502强风化花岗岩10.28.475022503中风化花岗岩26.612.4117026004微风化花岗岩26.6～结构底部-130027004.2计算模型采用“地层—结构”模型进行时程分析，该模型是把地震运动看做一个随时间变化的过程，并将地下结构和周围土体介质视为一个整体，共同受力整体变形，并通过输入地震加速度的记录，在两者变形协调的基础上，计算结构和土体介质在各个时刻的位移、速度、加速度、应变、内力，以验算场地的稳定性。

图6 地层计算模型4.3计算分析过程1. 地震作用下地层情况1）水平位移云图图7 水平位移云图（2）地震作用下车站结构情况图8 结构应力云图根据结构受力云图可以看出，车站明挖段结构关键点的最大应力值为1.87MPa<21.5MPa（C45砼抗压强度设计值），远小于限值2. 结构横向位移云图图9 结构横向位移云图3) 地震作用下结构横向分析图10 地震作用下结构典型节点相对水平位移时程曲线（一）、（二）、（三）根据结构水平位移差异曲线可以看出，结构在最不利情况下，水平位移最大差异为0.234mm，出现在9.3s，差异变形不大，有利于结构的受力5 结构抗震计算结果5.1 抗震计算结果分析根据上述时静力法和时程分析法的内力计算结果，以主体结构标准段为例，选取结构典型断面位置，对两种不同计算方法所得各项内力进行对比分析，内力统计断面位置如图11 所示，内力计算数据统计如表4 所示图11 主体结构标准段内力统计断面示意图表4 主体结构标准段静力法与时程分析法内力结果对比表断面号计算部位截面尺寸（mm） 偶然荷载地震内力控制计算方法内力项静力法内力设计值时程分析法内力设计值1拱顶800×1000 M（KN.m） 176186共同控制N（KN） 30773047V（KN） 2252212大拱脚1200×1000 M（KN.m） 135221时程分析法N（KN） 30413096V（KN） 3894253仰拱支座1350×1000 M（KN.m） 41654164静力法N（KN） 84158420V（KN） 12848334仰拱850×1000 M（KN.m） 21892192共同控制N（KN） 82408231由上可知，在本站地震设防烈度条件下，时程分析法与静力法两种计算方法，内力计算结果较为接近；结构拱顶、仰拱内力值由静力法和时程分析法共同控制，仰拱支座由静力法控制，大拱脚跨中由时程分析法控制。

时程分析法与静力法两种方法计算结果有所区别，这主要是由于两种计算方法在位移计算、模型边界约束及弹簧布置等方面有所不同导致，时程分析法结果相对保守5.2 抗震性能验算1. 配筋计算根据设计规范，地震工况下设计值还需考虑承载力抗震调整系数γRE=0.85车站主体结构标准段主要对以下几个内力控制截面进行各工况包络配筋计算表5 主体结构标准段各工况下配筋统计表截面号结构尺寸（mm）内力项目地震工况包络值非地震工况包络值包络值计算配筋率（%）实际配筋实际配筋率（%）1拱顶800M（KN.m）1861901900.26.7C280.51N（KN）304734373437V（KN）2212272272大拱脚1200M（KN.m）2211672210.26.7 C280.51N（KN）309635813096V（KN）4253314253仰拱支座1050M（KN.m）4165468546850.746.67 C32、6.67C280.9N（KN）841594719471V（KN）1284144314434仰拱800M（KN.m）2192246324630.296.67C280.51N（KN） 823192709270V（KN） 441420441根据上述计算结果进行主体结构承载力计算，计算时取各工况荷载组合内力的最大值，对侧墙，顶拱、底板，中楼板等构件按偏心受压（受拉）进行计算。

计算截面的配筋主要为准永久组合下的裂缝宽度控制，仅大拱脚处受力为地震工况控制5.3 罕遇地震工况结构抗震性能验算图12 罕遇地震工况下结构水平位移图13 罕遇地震工况下结构竖向位移罕遇地震工况下结构的横向最大差异变形为1.01mm，竖向位移差为0.94mm，对应位置的节点水平和竖向间距分别为5.82m，14.58m，近似看结构直径变化率为0.18‰、0.06‰，均小于《城市轨道交通结构抗震设计规范》对结构抗震性能Ⅱ级要求的4‰~6‰6 结构的抗震性能分析1. 按照时程分析法验算横断面，基本上各截面结果均与静力法计算结果接近，部分为静力法控制，部分为时程法结果控制2）经过分析比较基本荷载组合、准永久荷载组合、地震荷载组合的内力图及相应的配筋计算，除大拱脚处，车站结构各构件的控制组合为基本组合与准永久组合共同控制，地震组合基本不起控制作用3）结构地震工况下整体变形为非线性变化，随时间不断发生变化，结构受力处于动态变化过程中，但结构整体变形及差异变形不大，且竖向构件连续贯通，无结构薄弱部分，车站结构各构件满足抗震设计要求4）车站结构应按规范加强薄弱部位和环节的抗震措施参考文献:[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部． GB50011—2010（2016年版） 建筑抗震设计规范． 北京: 中国建筑工业出版社，2016.[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部． GB50909—2014 城市轨道交通结构抗震设计。