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文档简介

1、某典型地铁车站结构抗震分析摘 要:文中针对某两层两跨的典型地铁车站结构,建立起三维计算模型,其中考虑了土体的非线性和结构的弹塑性变形,分析了其在不同幅值的人工地震波作用下的地震响应规律,指出了结构抗震的薄弱部位,并从结构柱端弯矩和结构变形两方面评价了结构的抗震性能。计算分析表明该结构具有较好的抗震性能,结构整体满足抗震要求。论文研究成果可供相关类似工程的设计提供参考。关键词:地铁车站结构;地震响应;抗震性能;框架结构一、引言 随着城市地铁建设的飞速发展,城市地铁已成为城市整体抗震防灾的重要组成部分,另外,地下结构一旦在地震中发生破坏,其修复成本也及其高昂,其抗震性必须引起足够的重视。因此,地下

2、结构的抗震分析是目前抗震分析领域的热点1-3。二、计算模型 该结构模型如图 1 所示,为两层两跨的框架结构,水平纵向长 192m(纵向柱距 8m),水平横向宽 24m,高 12m。 基于已有研究成果4,计算范围选取如下:水平横向宽度:取结构横向宽度的 5 倍;水平纵向长度:由于本文仅考虑水平传播的 SH 波,因此,模型可按平面问题考虑,纵向长度取单位宽度即可;竖向深度:根据该处的地质钻孔资料,在零下 50m 左右即到达了基岩面,因此,竖向深度取 50m。则计算模型如图 2 所示。 静力计算时,模型四个侧面均取固定边界,底部取为竖向固定、水平自由的边界,表面为自由变形边界。动力计算时在模型的四个

3、侧面上均采用自由场边界条件5,底部取为竖向固定、水平自由的边界,顶面为自由变形边界。 动力计算时,在地下 50m 基岩处输入未来 50 年超越概率为 10%和 2%的地震动加速度进行中震和大震计算其幅值分别为 52gal 和 96gal。中震的加速度时程及频谱特征曲线如图 3 所示。 其中采用等价线性化方法考虑土体的非线性特性,计算参数见表 1 所示。车站结构的混凝土材料选用 MC 模型,参数按 C30 混凝土选取。三、计算结果1柱端弯矩 图 4 和图 5 分别为中震和大震时柱端弯矩时程曲线,由图可见,柱端弯矩最大值分别为 844KN*m 和 1934KN*m,与静力时的柱端弯矩值(155KN

4、*m)相比,增量非常大。由此可见,柱子为轴向受力构件,静力时柱端弯矩较小,而在地震作用下,柱子两端相对位移增加导致柱端弯矩有较大的增幅,是结构抗震的薄弱部位。2结构变形分析 本小节通过选取车站结构上几个具有代表性的点,分析车站结构在地震过程中的变形。考虑车站结构为两层两跨的对称结构,选取的点的位置为柱子车站顶板、中板、底板的交接处,上柱两端的相对位移以 upper 表示,下柱两端的相对位移以 bottom 表示。由于本文仅考虑水平横向地震响应,因此,分析这点的水平横向相对位移。 图 6 为中震时结构顶板 3 个不同点水平横向位移时程曲线,的图 7 和图 8 分别为中震和大震时柱端水平横向相对位

5、移时程曲线,由图可见: (1)在横向剪切地震波作用下,结构顶板的横向变形最大,中板次之,底板最小,柱子两端横向相对位移在中震和大震时分别为 13mm 和 29.4mm; (2)沿结构纵向顶板各处节点的位移时程曲线几乎一致(图 6),表明车站结构在中震水平作用下以一个整体在运动,即车站结构有良好的整体抗震性能; (3)在中震和大震时结构的层间位移角分别为:13/4,000=1/308 和 29.4/4,000=1/136,可见中震时结构仍处于弹性阶段,在大震时结构进入塑性阶段。四、结论 本文计算分析了某典型框架地铁车站结构的地震响应规律,可得到如下结论: 1)与结构边墙相比,地下框架结构中的框架

6、柱是最薄弱的构件,极易发生柱端的剪切破坏和柱子中间的压弯破坏,框架柱的破坏会导致结构顶板等构件的破坏,最终导致结构的完全破坏。因此,柱子是地下框架结构抗震的薄弱部位; 2)结构顶板的变形最大,由此可见,浅埋不利于结构的抗震,但埋深过大,会增加造价。因此,需综合考虑工程造价和结构抗震安全性,以确定结构的埋深; 3)结构在中震时结构仍处于弹性阶段,而在大震时虽进入塑性阶段,但结构整体性仍较好。因此,结构整体抗震性能良好。参考文献1 Samata S,Ohuchi H and Matsuda T. A study of the damage of subway structures during t

7、he 1995 Hanshin-Awaji earthquakeJ.Cement and Concrete Composites,1997,19(3):223-239.2 An X. H.,Shawky A. A. and Maekawa K. The collapse mechanism of a subway station during the Great Hanshin earthquake J.Cement and Concrete Composites,1997,19(3):241-257.3 Huo H.,et al. Load transfer mechanisms between underground structure and surrounding ground:evaluation of the failure of the Daikai station J.Journal of Geotechnical and Geoenvi ronmental Engineering,2005,131(12):1522-1533.4 孔戈.盾构隧道地震响应分析及抗减震措施研究D.上海:同济大学,2007.5 Ita

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