软弱土层中典型地铁车站结构的动力响应特征上海正处于地下轨道

1、软弱土层中典型地铁车站结构的动力响应特征上海正处于地下轨道交通开发与建设的大发展时期，新建和待建的大型地下轨道交通数量迅猛增加。至2012年，上海轨道交通将形成13 条线路、300多座车站、运营总长度超过500km的轨道交通基本网络；根据客流预测，届时可承担日均客流约800万人次。另一方面，上海位于环太平洋地震带上，自公元288年上海有地震破坏的文字记录以来，上海及其邻近地区发生过多次中强地震。近30年来，上海多次受周边地区中强地震和本地有感地震的影响。例如：1979 年溧阳6.0 级地震、1984 年南黄海6.2级地震、1990年常熟太仓5.1 级地震、1996 年东海6.1 级地震, 上海

2、均有较强烈震感。地铁工程是生命线工程的重要组成部分，地铁车站结构的抗震问题有理由成为人们关注的热点和焦点。历史震害调查表明，地震对地下结构的破坏是客观存在的，而且类似于上海的深厚软弱覆盖土层会增大地震作用的强度，加重建筑结构的震害。由此可见，开展城市地铁建筑结构的抗震研究，对于改善上海以及我国城市地铁建筑结构抗震性能，提升城市抗震防灾水平、确保未来城市可持续发展具有重要意义。本文基于大型通用有限元计算软件平台Ansys，对上海市软弱土层中典型地铁车站结构地震动力响应进行了系统的数值模拟计算与分析。考察了典型地铁车站在埋深、车站建筑结构形式、地震波型等敏感性参数下的动力响应特征。据此探讨了此类参

3、数对地铁车站结构的影响，为提高地下轨道交通建筑抗震设计水平、改进地铁车站建筑抗震设计方法提供了依据。数值计算模型的建立以上海某典型地铁车站结构为研究对象。如图1所示，其横剖面为两层三跨的钢筋混凝土闭合框架结构。车站结构总宽高为21.20m×12.02m，中柱沿车站纵向间距为8.5m。车站的结构柱采用C40等级混凝土，内衬墙和梁均采用C30等级混凝土。结构的基本构件尺寸、材料参数列于表1。车站结构顶部覆土3.50m，属于浅埋地下结构。根据上海市土层条件，整体计算模型的深度取70m，土体两侧水平边界距结构侧墙取为结构宽度的10 倍，车站结构的计算范围内各区段土层的参数如表2 所示。为便于

4、计算，土层参数取按土层厚度的加权平均值，土层加权平均重度为17.78kN/m3，加权平均粘聚力为11kPa，加权平均内摩擦角为21.90，平均剪切波速为150m/s，土体泊松比0.30。采基于大型通用有限元软件ABAQUS，建立的土层车站结构整体数值计算模型如图2所示。地铁车站结构简化为平面框架，沿车站纵向取中柱间距的长度，将结构质量、刚度等材料性质折算到平面框架模型中。梁柱等构件均用梁单元来等效，可以考虑剪切、弯曲、拉压等变形；地基土采用四边形平面应变单元；为简化分析，车站结构与周围土层刚性连接，不考虑地震时土层与结构间有可能发生的脱开、滑移等非线性接触。结构和土体均采用线弹性本构关系。计算

5、模型侧向边界节点竖直向固定约束，水平向设为自由；模型底部边界为地震波输入边界。地震动输入基岩输入地震波采用该场地100 年基准期超越概率10%的上海人工波6以及El-Centro波，地震波加速度峰值调整至地表PGA 为0.1g。图3 给出了基岩处输入的El-Centro 波及其傅立叶谱。El-Centro 波是单脉冲地震波，其卓越频率在2-3Hz 间。图4 给出了该场地上海人工波在地表面和基岩处的时程曲线及其相应的傅立叶谱。两者对比可以看到：上海软土场地具有地震波加速度放大效应；地表加速度频谱组成具有低频放大、高频过滤的特征；地面加速度反应谱的卓越周期也具有向长周期方向移动的趋势。数值计算结果

6、讨论埋深对地铁车站结构地震响应的影响地下结构震害历史表明，浅埋隧道受地震破坏的风险要高于深埋隧道。下面以3.5m、13.5m、23.5m、33.5m和43.5m为参数，考察埋深对车站结构在相同地震波下的动力响应规律。限于篇幅，在此仅列出El-Centro 地震波作用下，埋深3.5m 时的地铁车站结构动力响应时程曲线，如图5 所示。图5(a)为框架结构4 角点的位移时程曲线。可以发现 4 个角点的位移响应基本一致，这表明地下结构受周围土层约束，其位移响应与周围土层位移响应相一致，随土层的震动而震动。图5(b)和图5(c)分别是地铁车站结构的加速度和层间位移角时程曲线。可以看到，两者的波形非常一致

7、。表3 给出了不同埋深下车站结构左上角点地震响应值。考察的指标有地震作用下的最大位移、速度和加速度值，以及在最大层间位移角发生时的结构内力响应值，即轴力、剪力和弯矩。随着埋深的增加，结构的各项响应指标均降低。如前所述，上海市的软弱土层具有地震加速度放大效应。因此，埋深越浅，地铁车站结构的地震响应也越大。从埋深范围来看，埋深20m以内，结构响应大小处于同一等级；埋深40m以内，结构响应降低，基本上是20m埋深内结构响应值的一半。当结构埋深大于40m 时，地震作用对结构的影响几乎可以忽略。这一点与地下结构震害报告的统计数据也是相吻合的。跨距对地铁车站结构地震响应的影响对于静力荷载作用下的地上结构，

8、柱间跨距是影响结构承载能力的重要因素之一。为了争取更大的建筑空间，建筑师往往倾向于设计大跨距结构形式。但是，跨距一大，对于同等荷载条件和构件截面，柱所承担的有效荷载就变大了，因此也更不安全。这是针对静力荷载也就是竖向荷载条件下的地上结构而言的。现改变结构形式，通过将双柱设为单柱形式的方式，增大柱间跨距，以此考察地铁车站结构在地震作用下的动力响应特征。表4 列出了单、双柱情况下，结构左上角点的最大动力响应值。对比结果说明，结构的跨距直接影响结构内力。当结构采用单柱形式时，跨距较大，柱内剪力和顶板内弯矩均有显著上升。因为地震作用主要是侧向荷载，结构柱内轴力增加不明显。这与静力条件下的结构受力特征相

9、仿。而对比车站结构的位移、速度和加速度响应值可以发现，增大柱间跨距对结构整体的动力响应并没有太大的影响。地震波对地铁车站结构地震响应的影响（众所周知，地震波可看成是由多条简谐波叠加而成的。不同的地震波具有不同的振幅、频率和持时，其波长波形成分存在差别。当地震波从基岩面向地表传播过程中，也会发生折射和反射，过滤或者放大某些频率的波长。在不同地震波下，地下结构的响应也会有所差异。表 5 中可以看到地铁车站结构在上海人工波作用下的位移响应（6.5mm）远大于El-Centro 波下的位移响应（2.8mm）。加速度响应值在两条地震波下相差不大。而结构内力响应，即最大层间位移角时的结构轴力、剪力和弯矩，分别从El-Centro 波下的69.3kN、41.3kN和204.5kN*m急剧增加到上海人工波作用下的125.9kN、115.0kN 和327.3kN*m。这说明地震引起的土层变形（而不是加速度）是影响地下结构动力反应的决定性因素。结论本文采用大型通用有限元程序Ansys，对上海市软弱土层中的典型两层三跨地铁车站结构进行了动力响应数值计算与分析。研究结果表明：（1）软弱土层对地震动有一定的放大效应。对于采取明挖法、盖挖法等施工的浅埋车站结构来说，应适当考虑地震荷载作用，妥善采取相应抗震措施。（2）跨距大小虽然对车站结构的动力响应没有明显的直接影响。但是，随着跨距的增加，结构内力显著增大