摘要：近年来我国城市化发展进程不断加快，受城市空间限制因素的影响，城市开始大力发展地下轨道交通设施，一般城市轨道交通结构位于抗震设防区域，对该区域进行抗震设计至关重要。基于此，本文以地下车站结构作为研究对象，根据该结构抗震设计流程，对地下车站进行抗震计算和性能验算，保证结构的稳定性。
关键词：城市轨道交通；地下车站；抗震分析
引言：与地面结构相比，人们对城市轨道交通地下结构的抗震设计起步较晚，相关抗震设计流程还不够程序。从地下结构的确定入手，根据地基相关参数选定进行抗震设计，结合城市轨道交通曲线隧道的实际情况完善抗震设计流程，从而使地下空间得到充分利用，在满足居民出行需求的同时，释放交通压力，提升轨道交通运输能力。
1.城市轨道交通地下车站结构的抗震设计流程
对地下车站进行抗震设计时，应确定周围地基条件以及空间分布情况。了解地层地质条件和相关物理参数，对土地动力特性加以明确，找出基准面。同时，在抗震设计中还要结合地下车站空间分布情况，了解衬砌、接缝等构造参数，对用于设计的地震动做好二级、三级设防。选择的地震动应作用于基准面，确定基岩空间与空间土层交界面，通过输入基准面来确定场地覆盖层的大致厚度，经过理论分析与实际认证，明确覆盖层对地震动的强度有着直接影响。选取位于地下车站结构之下的岩土层，剪切波速不低于500m/s，如果覆盖涂层的厚度低于70m，建议设计地震作用的基准面与地下结构之间的距离应超过地下结构高度的两倍。如果覆盖涂层厚度超过70m，建议在该处土层位置进行结构抗震设计。
图1为地下结构抗震设计的流程图，经研究发现，当地下车站结构反应比较复杂时，比如隧道线路有小半径曲线，或地质条件沿着地下车站结构的纵向变化越来越大时，建议采取动力时程分析方法。面对是否需要对地下车站结构进行纵向地震分析的时候，可以根据地基匀质情况，了解隧道纵向刚体运动时是否会出现内力或产生变形，土层土质是否有变化，土层内是否有液化层，如果存在以上问题，这时地层可能会存在相对问题。面对以上情况，有必要对车站地下结构进行纵向抗震设计[1]。
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图1地下结构抗震设计流程图
2.城市轨道交通地下车站结构抗震设计
2.1抗震计算
2.1.1车站反应位移法
从城市轨道交通工程的实际需求出发，对地下车站进行抗震设计，根据客流情况与地质环境，采取反应位移法完成地下结构抗震计算。车站反应位移法在应用前，应对结构惯性力、周围剪力、土层相对位移力三种作用力展开研究。当城市轨道交通地下车站结构出现震动时，这三种作用力如果出现，将会加速地下结构质量问题的产生，且地下空间的地质环境受到破坏，地下车站不得不承受更多荷载。为了避免这一情况发生，应从土层相对位移和剪力两方面特点出发，在结构竖向位置处降低对结构的影响。由于空间作用力分布不同，地下车站结构在受到作用力影响的同时，地质结构也会产生荷载，加快土体的变化速度，加剧城市轨道地下车站的破坏程度。因此，采用反应位移法将地下车站结构和城市轨道交通环境土体建立模型，使抗震设计更加科学[2]。
使用反应位移法进行地下车站结构的横向抗震设计。利用ProShake软件进行图层设计，得知土层最大剪切模量为。其中指的是质量密度；v指的是地震的剪切波速。根据剪切模量与阻尼比的变化曲线，得出砂土曲线与黏土曲线，分析在重力作用、地震作用情况下地下结构的重力情况，应用静力有限元分析方法得到地基弹簧刚度。
2.1.2二维平面时程分析法
不同的地下车站结构有着不同的抗震性能，采用二维平面时程分析法，将结构抗震能力提升，并采取不同的抗震防护措施，使土地结构在变化时对地下车站起到保护效果。根据地震发生时动力时程的变化情况，综合分析所有可能存在的抗震问题，应用二维平面时程分析法，对城市轨道交通地下车站结构展开二维平面分析，在结构边界处对震动的动力能量加以计算，按照结构的弹塑性能实时监测土体变化情况，从而保护结构外部不受地震影响。采用时程分析法，将Midas/GTS建立模型，结合E3地震作用，对结构作用力进行计算。结合地下结构地质环境特点，发现当前地质结构中有风化泥岩存在，基岩面距结构距离不超过车站结构高度的3倍，将基岩面作为模型的底面边界。在抗震设计中应保证地震基准时间大于50年，车站结构不能在50年间出现任何情况的振动破坏问题。
2.2性能验算
探究城市轨道交通地下车站结构中是否有构件出现损伤，有必要对其进行损伤验算。在重力的作用下利用截面能力的轴力进行计算，使用Ucfyber软件计算截面能力，取盾构衬砌截面，大致面积为1.0×0.35m，1.0m指的是衬砌取纵向长度；O.35m指的是衬砌的宽度。屈服弯矩和极限弯矩分别是506kN•m和605kN•m。经计算分析得知，盾构隧道在三条地震波的作用下，弯矩不会超过180kN•m，与屈服弯矩相比，地震波作用下的盾构隧道结构弯矩更小，这时地下车站结构的构件性能为等级Ⅰ。
除了构件损伤验算以外，还应对地下车站结构的整体变形情况进行验算，以直径变形率为重要指标，在地震波作用下，直径变形率不会超过2％。而性能Ⅱ中规定的直径变形率范围在4-6％之间。地震波作用下的2％直径变形率小于限制，所以经过整体变形验算，该轨道交通地下车站结构可以满足性能Ⅱ需求。根据抗震设计的相关标准，地下车站结构发生震动时，土质结构在某种程度上可能会出现位移，每个结构在位移时会存在相对稳定的振动趋势。按照构件验伤验算与整体变形验算结构，在城市轨道交通地下车站结构抗震设计时，应按照E3地震作用效果，将弹性区间进行有效控制，避免地震时土体对结构造成不良影响。经分析得知，城市轨道交通地下车站结构在E1与E2地震情况下，可以满足性能Ⅰ提出的要求，在E3地震情况下，地下车站结构抗震设计可以满足性能Ⅱ的需求。
总结
总而言之，结合城市轨道交通施工建设要求，对隧道区间或地下车站结构进行抗震设计时，应围绕土质环境变化情况，明确抗震设计标准，尽可能的满足结构的抗震承载能力。在施工前期，应充分研究地质环境，以收集到的资料与信息作为参考，降低地质环境对地下车站结构的影响，将车站反应位移法和二维平面时程分析法相结合，提高计算精度。
参考文献
[1]贾本万,刘燕.轨道交通工程地下车站结构抗震设计分析[J].绿色环保建材,2019(08):64-65.
[2]王永文.城市轨道交通地下车站结构防渗漏控制研究[J].居舍,2019 (19):168.
论文作者:叶仲瓞
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：结构论文; 地下论文; 车站论文; 轨道交通论文; 城市论文; 位移论文; 土层论文; 《基层建设》2020年第1期论文;