地铁车站的抗震时程分析探讨

地铁车站的抗震时程分析探讨摘要：本文通过北京xx号线xxx站的抗震分析，探讨了地铁车站的抗震方法及内容，为地铁车站抗震计算提供了一定的参考和借鉴。关键词：反应位移法时程分析法层间位移角加速度地铁车站城市轨道交通工程隧道及地下车站结构的地震反应计算方法有惯性力法、反应位移法、反应加速度法、弹性时程分析法、非线性时程分析法等。惯性力法、反应位移法和时程分析法用于横向及纵向地震反应计算，反应加速度法用于横向地震反应计算。惯性力性、反应位移法适用于弹性阶段反应分析，采用荷载-结构模型建模分析；反应加速度法及时程分析法既适用于弹性阶段反应分析也适用于弹塑性阶段反应分析，采用地层-结构模型建模分析。xxx站为xx号线与R1支线的换乘站，位于万盛南街与规划玉桥西路南沿路交叉口处，沿万盛南街东西向设置，车站总长286m，宽21.9m、高13.2m。车站主体为明挖双层双柱三跨岛式车站，中心里程处覆土约3.4m。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）及《城市轨道交通工程设计规范》（DB11/995-2013）相关内容，本站地震反应计算分析时，抗震性能要求为I时（E1及E2地震作用下）采用反应位移法，抗震性能要求为II时（E3地震作用下）采用非线性时程分析法，本文主要讨论车站的时程分析法进行抗震分析。1时程分析法介绍时程分析法即结构直接动力法，是最经典的方法，也是普遍适用。其基本原理为：将地震运动视为一个随时间而变化的过程，并将地下结构物和周围岩土体介质视为共同受力变形的整体，通过直接输入地震加速度记录，在满足变形协调条件的前提下分别计算结构物和岩土体介质在各时刻的位移、速度、加速度，以及应变和内力，并进而验算场地的稳定性和进行结构截面设计。时程分析法具有普遍适用性，在地质条件、结构形式复杂，隧道结构宜考虑地基和结构的相互作用、以及地基和结构的非线性动力特性时，应采用这一方法，且迄今尚无其他计算方法可予以代替。时程分析法采用地层-结构模型，时程动力分析时，由于直接输入地震波作用，受地震波长的影响，为保证计算结精度要求，应限制土层单元尺寸，通常竖向单元尺寸不大于1m即可满足要求。当采用波动法进行地震动输入时，模型边界一般采用粘性人工边界或粘弹性人工边界等合理的人工边界条件，且侧向人工边界应避免采用固定或自由等不合理的边界条件，见图1。1、自由边界；2、人工边界；3、有限元计算模型；4、粘性人工边界；5、粘弹性人工边界图1合理的人工边界条件土层的选取范围，一般顶面取地表面，底面取设计地震作用基准面，水平向自结构侧壁至边界的距离宜至少取结构水平有效宽度的3倍，如图2所示。图2一般情况下计算模型选取范围当隧道或地下车站结构沿纵向结构形式连续、规则、横向断面构造不变，周围土层沿纵向分布一致时，可只沿横向计算水平地震作用并进行抗震验算，抗震分析可近似按平面应变问题处理。当结构形式变化较大，土层条件不均匀时需要按空间问题进行三维建模求解，本文按平面模型进行分析。2抗震计算及分析2.1荷载分类、取值及组合荷载分类、取值及荷载组合依据《地铁设计规范》（GB50157-2013）及《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）有关规定，按永久荷载、可变荷载、偶然荷载（地震作用）进行荷载计算及组合。2.2场地与地基地震效应根据《中国地震动参数区划图》、《建筑抗震设计规范》、《北京地铁xx号线东延工程场地地震安全性评价报告》及岩土工程勘察报告，拟建场区的抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.20g（50年超越概率10％所对应的峰值加速度），场地类别为III类，特征周期为0.45s。基岩面埋深H=70米。2.3水平向设计地震动参数根据《北京地铁xx号线东延工程场地地震安全性评价报告》及《城市轨道交通工程设计规范》，本站场地设计地表地震动峰值加速度及峰值位移见表1：表1场地设计地表地震动峰值加速度及峰值位移地震动等级50年超越概率地震动峰值加速度amax（g)峰值位移umax(m)E1地震作用63%0.100.07E2地震作用10%0.200.13E3地震作用2%0.400.272.4设计地震动加速度时程本次分析采用地震输入为北京地铁xx号线东延工程场地地震安全性评价部门提供的地震时程函数。根据抗震设计条件，本工程计算采用50年超越概率为2%(即E3地震作用下)的基岩加速度反应谱和峰值加速度作为地震动时程合成的目标峰值和反应谱，合成土层地震反应分析所需的基岩地震动时程，分别进行了加速度时程1、加速度时程2及加速度时程3地震作用下的时程分析。选取加速度峰值为0.4g的三条地震加速度时程曲线，见图3.4.2。（a）加速度时程1（b）加速度时程2（c）加速度时程3图3设计地震加速度时程曲线2.5模型计算简图根据车站柱网设置，选取连续最大二柱三跨结构进行建模计算，模型的尺寸长×宽×高分别为27.6m×290m×60m。模型上边界取至地表，下边界至3H（H为结构高），横向取至3B（B为结构宽），模型边界按照粘弹性吸收边界。根据地安评报告所提供的三个加速度时程数据，分别进行分析，选取最不利加速度时程进行计算。0510152025303540-500-400-300-200-1000100200300400时间/s水平向加速度/gal0510152025303540-400-300-200-1000100200300400500时间/s水平向加速度/gal0510152025303540-500-400-300-200-1000100200300400时间/s水平向加速度/gal图4计算简图2.6计算参数根据岩土勘察报告，并考虑数值计算模型要求，将场地土层性质及物理力学参数相似的土层进行合并，共合并成7层土，详见表2~表3。表2场区地层参数编号名称密度（KN/m3）剪切波速（m/s）动弹模（Mpa）动剪模（Mpa）粘聚力（kPa）摩擦角（°）1粘质-砂质粉土20001802007029202粉质粘土203022235010035143粉细砂20503206672270344粉质粘土205030050020040205细砂-中砂20503607672630336细砂-中砂2050440982333040表3结构参数表属性重度(kN/m3)弹性模量(GPa)泊松比主体结构墙、板25.032.50.2主体结构柱25.034.50.22.7计算结果图5模型横向位移根据上述计算结果揭示：在E3地震作用下结构主要由水平主向控制结构变形，其顶板处最大水平位移为313.9mm、中板处最大水平位移为303.1mm、底板处最大水平位移为291.7mm。抗震性能要求为II时，即结构E3地震作用条件下，站台层结构弹性层间位移角为（303.1-291.7）/6900=1/605〈1/300，站厅层结构弹性层间位移角为（313.9-303.1）/5450=1/504〈1/300，均满足规范要求。3结论本文通过北京xx号线xxx站的抗震时程分析，探讨了地铁车站的抗震方法及内容，为地铁车站抗震计算提供了一定的参考和借鉴。参考文献[1]GB50157-2013.地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2014.[2]DB11/995-2013.城市轨道交通工程设计规范[S].北京,2014.[3]GB50909-2014.城市轨道交通结构抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社,2014.