抗震地铁工程安评专题

GTS

NX地下结构抗震解析北京迈达斯技术有限公司 张在晨地下结构抗震设计背景01地下结构抗震设计背景近15年地铁领域发展迅猛（黄金阶段）1995年

46km，2015年3618km，远景14000km地铁建设面广、量大全国超40个城市开展工作，每年建成300km～500km地铁运营里程超4000km，成为城市基础建设的龙头地下空间开发是一种必然选择当前，我国已进入城镇化深入发展的关键时期，合理利用地下空间成为完善城市功能、推进智慧城市建设、实现城市可持续发展的必然选择相较于上部结构：地下结构使用周期长、破坏隐蔽、受损后修复困难、损失巨大；越来越多的地下结构在不利地层条件（地层条件复杂、包含可能液化地层等）中建设；国内外地下结构震害屡见不鲜；抗震问题亟需解决地下结构抗震设计背景20102009

2011质[2011]13号文《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）》2064-2009国标GB50111-2006(2009年版)上海DG/TJ08- 国标GB50011-2010

2011年住建部发布建2013国标GB50157-2013北京地标DB11/995-20132014 2018国标GB50909-2014 国标GB/T

51336-2018地下结构抗震设计标准抗震设计重视度提高，规范从无到有，从单一性到系统性的地下结构抗震设计标准地下结构抗震设计背景地下结构抗震性能要求与地上结构相比，地下结构设计使用周期不变，仅提高性能要求。地下结构抗震分析案例计算方法、工程类别02大学城南站位于常州市武进区鸣新中路与凤栖路丁字路口南侧，沿凤栖路敷设，凤栖路南北走向，鸣新中路东西走向。车站设计中心里程为CK9+812.339。车站方案为13m岛式站台地下三层三跨钢筋混凝土箱型框架结构，站中心底板埋深23.2m，车站净长136.13m，净宽21.9m，其中第二层为设备层，设电缆夹层板。顶板覆土厚约3m。本次地震动力时程分析采用大型专业岩土工程有限元分析软件Midas/GTS进行，计算模型在竖直方向上取值为70m，横向取160m，结构底板处于6-4粉质粘土层，地下墙伸至9-2粉质粘土层。本次计算分析时仅考虑水平地震作用的影响。采用地震动时程的基准期为100年，超越概率为2%（E3

），加速度峰值为0.165g，时程采样间隔0.02秒。通过在X方向施加地面时程加速度实现地震加速度的加载。罕遇地震地震波常州地铁1号线大学城南站平面模型罕遇地震作用下结构最大层间相对水平位移为1.87e-2m，时刻为3.0s；结构各点之间位移基本保持同步，差异较小，呈现出整体振动趋势。根据时程位移曲线，罕遇地震作用下最大层间相对水平位移小于层间位移限制，所以本结构在罕遇地震作用下变形满足规范要求。整体模型地铁车站结构变形地铁车站结构变形地基变形常州地铁1号线新桥站济南市轨道交通R3线(奥体中心西站)北3号出入口4号出入口1、3号风亭2号风亭4号风亭接控制中心加油站7号出入口2号出入口7号出入口本站位于经十路与奥体西路交叉路口北侧，为R3线与M3线换乘车站。近期实施的R3线部分沿奥体西路南北向设置。车站主体总长为355m，标准段宽度为22.9m，车站建筑面积约31212.12㎡（主体建筑面积23299.8㎡+附属7912.32㎡

）。车站主体结构为地下二层（局部三层）岛式车站，基坑采用明挖顺筑法开挖施工，局部下穿电力管沟段采用盖挖半逆做法施工。车站两端均为盾构法区间。反应位移分析结果显示，车站主体结构在地震工况下，顶板部分位移变大，最大位移14.6mm。结构顶板与底板层间位移差及层间位移角最大值分别为8.22mm和1/1255，层间位移角满足规范要求限值（1/250）结构弯矩图模型位移图结构剪力图结构弯矩图结构轴力图弯矩图 中柱轴力图通过进行地震工况时程分析，得出地震工况内力，与基本组合及标准组合进行对比，地震工况结构内力均小于长期工况基本组合结构内力。中柱最大轴压比为0.74，满足规范规定不大于0.75的要求。将山东省地震工程研究院提供的地震波参数输入模型，进行时程分析。时程分析法使用迈达斯GTS建立地层模型进行计算。首先计算得出模型自振周期，然后定义模型边界进行时程分析。区间盾构隧道地铁车站地下结构明挖隧道不同结构形式的抗震分析《地下结构抗震设计标准》计算方法 03地下结构抗震计算方法《城市轨道交通结构抗震设计规范

》(

GB

50909

-

2014

)

表3

.

3

.

1

计算方法未明确给定适用条件；

缺少对土层参数取值的规定；反应位移法中：

未明确区分反应位移法I、II、III，

执行过程中存在误读；

不适用于可液化地层结合《地下结构抗震设计标准》（

GB/

T51336

-

2018

）

计算方法进行反应位移法一般而言，

地下结构的视密度（

包括结构物和内净空断面的平均密度）

比周围土体小得多，

如：

盾构隧道的视密度约为1200

kg/

m

3

，

周围土体密度为1600

～1700

kg/

m3

，

因此地下结构的惯性力较小，

换言之，

其起振力较小，

自身很难起振。另外，

地下结构受周围土体的约束，

其能量耗散较快，

衰减较大。在相同高程处，

地下结构及周围地层的加速度反应，

不管从频谱特性还是最大值来看都比较接近，

而与地面结构的地震响应则差别较大。反应位移法假设地下结构地震反应的计算可简化为平面应变问题，

其在地震时的反应加速度、速度及位移等与周围地层保持一致。因天然地层在不同深度上反应位移不用，

地下结构在不同的深度上必然产生位移差。将该位移差以强制位移形式施加在地下结构上，

并将其与其他工况的荷载进行组合，

则可由按静力问题进行计算，

来得到地下结构在地震作用下的动内力和合内力。本质属于荷载结构法，静态算法，动态概念！除静载外：1、地层的相对位移2、结构惯性力3、地层剪力反应位移法地下结构抗震计算方法-

反应位移法I——《城市轨道交通岩土工程勘察规范》GB50307

附录H地下结构抗震计算方法-

反应位移法I地下结构抗震计算方法-

反应位移法I1—设计基准面；2—地表最大位移；3—地下结构；4—地层相对变形；1、地层的相对位移2、结构自身惯性力3、地层剪力-矩形/圆形地下结构抗震计算方法-

反应位移法I地下结构抗震计算方法-

反应位移法II

采用反应位移法II

进行地下结构地震反应计算时，

地下结构所在位置的地层相对位移可由一维地层地震反应分析或自由场地地震时程反应分析确定。——

和反应位移法I最大的区别点。——

非均质地层中，

反应位移法I会严重低估变形和受力，

应使用反应位移法II；——

成层地层中，

反应位移法II在结构内力计算中偏于保守。地下结构抗震计算方法-

整体式反应位移法反应位移法I和II

存在的问题）

反应位移法采用集中地基弹簧来模拟结构周围土层，

而离散的地基弹簧之间互不相关，

无法真实反映际工程中土层自身存在的作用；）

反应位移法采用地基弹簧来模拟土—

结构间相互作用，

实际计算中发现，

地基弹簧系数的大小对结构内力计算果有很大影响，

而地基弹簧系数难于准确确定；）

对于断面形状复杂的地下结构，

无法确定基弹簧系数

。整体式反应位移法（

地层结构法）——

地下结构断面形状复杂、处于非均匀地层；——

地震作用包括等效输入地震荷载和结构自身惯性力；——

岩土体采用平面应变单元，

结构采用梁单元整体式反应位移法计算流程）

通过对自由场地层有限元模型对应岩土-

结构交界面施加最不利时刻地层相对位移；

）

对该交界面内的自由场土体施加最不利时刻地层水平加速度，

求得岩土-

结构交界面位置节点反力即为等效输入地震荷载；）

求解结构周围剪力。取步骤(

1

)

中求得的对应于结构顶、底面位置处的剪应力，

同时取二者平均值作为结构侧面剪切荷载；）

求解结构惯性力。取步骤(

1

)

中求得的对应于结构位置处的反应加速度，

乘以结构质量作为结构惯性力；）

建立整体式反应位移法计算模型进行分析。建立土–

结构相互作用模型，

模型边界固定，

施加步骤(

2

)，(

3

)，(

4

)

计算得到的地震荷载，

进行静力计算。地下结构抗震计算方法-

整体式反应位移法地下结构抗震计算方法-

时程分析法1、包括等效线性化时程分析法和弹塑性时程分析法；2、采用等效线性化时程分析法时，土体材料本构模型应能反映应力应变骨干曲线和滞回曲线随着循环剪切应变幅值的非线性变化特性，并应根据实际地勘与室内试验数据标定材料参数。3、当采用时程分析法进行结构动力分析时，应采用不少于3

组设计地震动时程；4、对于采用时程分析法或结构壁为曲边的抗震设计，应采用数值分析方法计算起始静应力状态。地下结构抗震计算方法总结地下结构抗震计算方法在MIDAS软件的实现04本节以某单层双跨地铁车站说明反应位移法II及时程分析法的建模过程。其横断面如下图所示，结构埋深5m，结构材料C30混凝土，弹性模量3×104MPa,密度2.5×103kg/m3,考虑中柱在车站纵向等间距布置，中柱等效弹性模量为8.57×103MPa,密度为7.14×102kg/m3。土层名称土层深度(m)容重(kN/m3)剪切波速(m/s)泊松比层数目1淤泥质粉质黏土0~218.2129.10.4522粉土粉砂互层2~619.4152.70.3543砂土16~1020.9137.10.344砂土210~2019.3172.70.365砂土320~3220.9263.20.4266黏土32~4019.7491.60.4247强风化砂岩40+225580.31一维自由场分析步骤4-1自由场分析是通过线性粘弹性场的垂直向透射剪切波的地震响应分析。场地是由多个水平向无限地层和一个半无限的地底层构成（右图），假定每个地层是。均

质的，土层材料是各向同性的震动是由剪切波引起的，震动仅表现为水平方向震动，剪切波可以沿着地层垂直方向进行透射和反射。三要素：地层、应变相容特性、地震波一维自由场分析收敛地层建模+应变相容性方程一维自由场分析-

剪切层法（

一维粘弹性分析方法）midas

GTS

NX

、Soil

Works均提供一维地层地震反应分析的功能，

操作流程类似。软件使用模块剪切模量计算结果提取midasGTS

NX动力模块-一维自由场分析公式手算N个土层提取N个结果midas

Soilworks二维动力模块-自由场分析公式自动计算1个文件提取N个结果基本假定为：（

1

）

水平成层地层（

均质地层也可以）；（

2

）

地震波为垂直向上传播的剪切波；（

3

）

土体采用等效线性化的粘弹性模型输入参数内嵌的应变相容特性函数对比（

与Proshake）输出计算结果不同形状断面反应位移法反应位移法II计算繁琐程度：马蹄形>圆形>矩形（单联通区域）反应位移法II计算步骤4-2参数：地震作用的基床系数荷载：自重、土压力、地震荷载边界条件：仅受压弹簧工况：重力工况、地震工况梁单元建模添加土弹簧地震荷载结构部分边界条件荷载部分工况组合自重&地震1基床系数2地震荷载3地震工况反应位移法II-

计算流程反应位移法II-

基床系数取值《城市轨道交通