摘要：地铁车站结构抗震设计的滞后性是制约地铁车站结构安全水平提升，影响城市轨道交通行业优化发展的核心要素。基于此，本文以交叉地铁车站结构抗震设计为研究对象，联系实例，就交叉地铁车站结构坑镇设计中常用的反映位移法与等代荷载惯性力法进行了对比分析，发现反映位移法的应用性更强，能够对交叉地铁车站结构内力情况进行较为准确计算，提升抗震设计质量。
关键词：交叉地铁站；结构设计；抗震设计；设计方法
引言
城市化建设进程的不断推进，增加了城市交通运输压力。在此背景下，地铁以其快捷性、便利性、地下空间利用性等优势得到迅速发展，成为化解城市交通运输压力，促进区域经济建设与社会发展的重要工具。而随着地铁工程数量与规模的不断提升，交叉地铁车站结抗震设计重要性不断提升。以下是笔者对交叉地铁车站结构抗震设计方法的几点认识，意在抛砖引玉。
1工程案例简介
随着城市轨道交通行业的高速发展，轨道交通工程规模与数量不断提升，不可避免出现地铁线路与地铁线路交叉现象。在此背景下，交叉地铁车站成为连接线路，满足地铁换乘需求的重要场所。
本文所研究的地铁车站即为某城市地铁一号线与二号线换乘车站。地质勘察发展，换乘车站所在建设场地的施工环境较为复杂，土层地质以杂填土、粉质粘土、全风化岩为主，属Ⅱ类场地。换乘车站为地下三层岛式站，车站主体的标准段宽约为229cm，车站主体长约为1680cm，车站支护形式以钻孔灌注桩为主，结构墙混凝土强度等级为C35，结构柱混凝土强度等级为C40。设计采用矿山法、半盖挖顺作法进行施工。
在交叉地铁车站建设施工过程中，需根据施工设计图纸与地铁车站建设要求，进行车站结构抗震设计。以明确车站应力分布情况，为车站结构施工方案设计与选择提供信息依据，保证地铁车站结构施工满足抗震设防烈度要求，提升车站使用稳定性、安全性。
2交叉地铁车站结构抗震设计方法
对着地下结构工程项目的不断增多，地下结构抗震问题得到人们越来越多的关注，理论与实践研究力度不断提升。目前，原型观测法、理论分析法、数据模型实验分析法已经成为当前地下结构抗震问题研究应用较为广泛的方法。并在此基础上，形成众多地下结构抗震设计方法，如等效静力法、反应位移法、自由场变形法、等效侧移刚度法、动力有限元方法等[1]。方法不同所具有的优缺点也不同，在交叉地铁车站结构抗震设计中的适用性也不同。基于此，为提升交叉地铁车站结构抗震设计准确性，在本工程设计与施工过程中，在理论分析与数据模型分析下确定交叉地铁车站结构的地震响应特征与抗震性能，并对比分析反应位移法与等代荷载惯性力法应用结果，验证两种地下结构抗震设计方法在工程中应用的准确性、可行性、适用性。
2.1反应位移法
2.1.1反应位移法特征
应用原型观测法与数据模型实验分析法对地下结构地震响应特征进行研究发展：当地下结构受到地震荷载作用之后，地下结构在一定程度上会跟随周围地层的运动而运动[2]。由于地层在受到地震荷载作用之后，其力学特征、位移等会产生一定变化。对此，可将这种变化影响下的地下结构变化，视为地下结构地震相应形成的原因。在该理念指导下，对地下结构进行模型化处理，使地下结构模型转化为位于弹性地基之上的框架结构。同时，利用地基弹簧的弹性抗力进行地震荷载作用下土体与结构变化模拟分析，实现交叉地铁车站结构抗震计算。
2.1.2反应位移法应用要点
在应用反应位移法进行交叉地铁车站结构抗震设计时，地基弹簧抗力系数的确定与强制位移的计算是反应位移法应用的重要，也是难点。地基弹簧抗力系数的合理性与强制位移计算的准确性直接关系反应位移法应用的准确性、有效性。因此，在模型参数计算时，应注意以下几点：（1）利用动力有限元法获取地震荷载作用下的地层响应位移，根据交叉地铁车站结构上层与下层之间相对位移情况，以相对位移最大时刻对应的参数为地震荷载，从而实现地震强制位移的有效计算。（2）立足反应位移法遵循的基本原理，进行荷载模式构建。在此过程中，需综合分析地下结构惯性力、地下结构周围剪力，并保证地层弹簧抗力系数计算的准确性。在此过程中，关于交叉地铁车站结构顶板剪切力的计算，可利用公式“
”（
表示交叉地铁车站结构顶板上的剪力；G表示地层剪切弹性模量；H表示交叉地铁车站结构顶板之上地层厚度；
表示存在于车站结构基底至上的速度响应谱；
表示固有周期）来实现[3]。关于地层弹簧抗力系数的计算可利用有限元法来实现。在本工程中，杂填层法向弹性抗力系数为1694kN/m2，切向弹性抗力系数为478kN/m2；粉质粘土法向弹性抗力系数为5791kN/m2；切向弹性抗力系数为1822kN/m2；全风化层法向弹性抗力系数为16130kN/m2；切向弹性抗力系数为2791kN/m2。（3）结构内力分析是交叉地铁车站结构抗震设计方法对比分析中的一项重要指标，在验证抗震设计方法应用准确性与合理性上，发挥着至关重要作用。在反应位移法应用中，选取标准断层，借助ANSYS软件，进行结构柱、板与墙体的内力分析。
2.2等代荷载惯性力法
2.2.1等代荷载惯性力法特征
等待荷载惯性力法是以静力等效原则为理论基础，将交叉地铁车站结构地震响应视为车站结构后地震荷载，以结构惯性力代替地震荷载，实现交叉地铁车站结构的抗震设计计算。
2.2.2等代荷载惯性力法应用要点
通常情况下，应用等代荷载惯性力法进行地下结构等代地震荷载计算分析时，应注意以下几点：（1）由于等代荷载惯性力法应用过程中，无法利用轴力、弯矩以及剪力的最大值进行等效，故在结构内力分析时，除结构主构件外，其他的构件需利用修正系数来计算。（2）交叉地铁车站结构抗震设计计算过程中，应保证等代惯性力荷载、内力修正系数获取的准确性、有效性。在本工程中，关于等代惯性力荷载的计算与确定，在车站结构模型化处理后，利用结构节点等效地震惯性力计算公式“
”（
代表抗震烈度与土层性质之间存在的关系参数，在本工程中取值为0.335；
代表过节点构件重量的二分之一）进行计算。关于结构构件内力修正系数，利用计算得到的等效地震惯性力进行结构内力计算，并结合土层性质进行结构（包括板、强、柱等）最大轴力、剪力、弯矩的修正。
3抗震设计方法使用成效分析
通过节点监测，获取反应位移法与等代荷载惯性力法应用结果，从水平绝对位移对比分析来看，等代荷载惯性力法的结果（0.36~0.61）普遍大于反映位移法（0.34~0.51），进个别测点相接近（2测点等代荷载惯性力法水平绝对位移为0.37，反应位移法水平绝对位移为0.36）。从结构内力对比分析来看，结构内力总体趋势存在一致性，但内力结果差异较大，以柱轴向应力为例，结果如图2所示。以动力时程分析为基准，进行对比分析，发展相对于等代荷载惯性力法而言，反应位移法经修正后所得到的计算误差较小。
a）标准断面柱轴应压力 b）纵向变化下柱轴应压力
图2 结构柱轴压应力对比分析
结论
地震对地下结构的危害是巨大且显著的。科学利用地下结构抗震设计方法提升地下结构抗震性能，成为增强地下结构使用安全性、稳定性、可靠性的重要举措。本文联系实例，通过对比分析交叉地铁车站结构抗震设计方法，发展不同方法所具有特征与成效不同。这就需要在今后发展过程中，应加强抗震设计方法研究，提升方法应用科学性、适宜性、准确性，助力地下结构建设优化发展。
参考文献：
[1]杨飞，董新勇，周沈华，等.地下结构抗震计算中地基反力弹簧刚度取值方法研究[J].四川建筑，2017，37（05）：114-118+121.
[2]陈卫忠，宋万鹏，赵武胜，等.地下工程抗震分析方法及性能评价研究进展[J].岩石力学与工程学报，2017，36（02）：310-325.
[3]张有桔，王飞，沈洪波.轨道交通工程地下车站结构抗震设计[J].工程与建设，2016，30（03）：361-364.
论文作者:胡小辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/30
标签：结构论文; 车站论文; 荷载论文; 位移论文; 惯性力论文; 地铁论文; 地下论文; 《基层建设》2019年第16期论文;