广州地铁设计研究院股份有限公 510030
摘要：本文以广州市轨道交通11号线某换乘站为例，通过MIDAS GTX NX岩土工程有限元分析软件建立地下车站结构三维模型，采用非线性时程分析的方法对车站进行地震响应分析，研究地下车站在地震作用下的安全性。结论表明，该车站结构满足抗震要求，提出对抗震薄弱部位有必要进行加强设计。
关键词：地铁车站；换乘站；抗震设计；有限元时程分析
国内城市轨道交通建设方兴未艾，地铁业已步入大规模线网建设与运营的新时期。地铁车站因受到周围土体的约束，地震发生时受到的破坏程度较轻，但多线换乘车站越来越多，地质条件复杂多变，发生地震时若地下结构出现损坏，将造成巨大损失。因此对地下结构进行抗震分析，验证车站是否满足抗震性能要求，有着非常重要的意义。
本文以广州市轨道交通11号线某换乘站为例，通过MIDAS GTX NX有限元分析软件建立三维模型进行分析，研究车站在地震作用下的安全性。
1 工程概况
1.1车站概述
本站为11号线与12号线换乘车站，地下二层双岛站台平行换乘，车站总长约441米。本站11、12号线车站标准段宽为45.3米，车站基坑开挖深度约为18.5米；11号线两线两层明挖段，宽度13.35米 ~18.2米，深度约21.0米。
根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》，本工程车站抗震设防分类为重点设防类，抗震等级为三级，按7度抗震设防烈度要求进行抗震验算。根据《广州市轨道交通十一号线工程场地地震安全性评价报告》，该站设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10711g（特征周期为0.45s）。
1.2地质简介
根据勘察成果揭露，本站场地发育的地层有新生界第四系地层和白垩第上统地层。
根据本场地所揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性，本次计算所用到的勘察钻孔各土层物理力学参数详见表1。
2 计算模型及参数
2.1计算边界及网格划分
三维建模时，保证计算结果可靠性，对模型、参数、材料及边界进行合理假定，减少计算时间。
因车站两端结构形式相似，建模仅考虑一半主体结构，不考虑开洞影响，对整体计算结果影响很小。岩土层采用实体单元进行模拟，单元的尺寸约为1m×1m。土体内部阻尼采用Rayleigh阻尼，土体阻尼比按常量0.05考虑。板、墙采用壳单元，梁、柱采用梁单元进行模拟。
计算模型底边界取至<8-1>中风化岩层，顶面取至地表面，侧面边界到结构的距离取结构水平宽度的3倍。模型底面采用竖向固定、水平自由边界，侧面采用粘性人工边界，顶面采用自由边界。
表1 土层物理力学参数表
图1 车站横剖面示意图
图2 时程分析法计算模型及网格划分
2.2材料+本构关系
模型涉及多种岩土体及混凝土材料模型，其中岩土体采用摩尔-库伦理想弹塑性模型，各向同性；混凝土结构采用线弹性模型。车站与土体之间不考虑脱开、滑移。
2.3地震波选取
根据《广州市轨道交通十一号线工程场地地震安全性评价报告》，输入3组人工合成地震波的加速度时程曲线，峰值加速度为0.147g，记录时间间隔为0.02s。
为节约计算时间，每组地震波均截取0~25秒这一段的加速度时程曲线进行计算。
图3 第一组地震波的加速度时程曲线
图4 第二组地震波的加速度时程曲线
图5 第三组地震波的加速度时程曲线
3 非线性时程分析结果
提取11、12号线车站主体断面、东端明挖段断面的结构变形，提取各层楼板的层间相对位移时程曲线，如下图所示。
图6 11、12号线车站主体断面变形
图7 东端明挖段断面变形
图8 车站主体负一层层间相对位移时程曲线
图9 车站主体负二层层间相对位移时程曲线
图10 东端明挖段负一层层间相对位移时程曲线
图11 东端明挖段负二层层间相对位移时程曲线
表2 层间相对位移最大值汇总表
表3 层间位移角最大值汇总表
由表2、表3可见，三组地震波作用下11、12号线车站主体断面、东端明挖段断面的层间位移角均小于《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB 50909-2014）的限值4×10-3，在E3地震作用下车站结构整体变形满足性能等级为II的要求，该换乘车站满足抗震性能要求。
4 结语
研究结果表明，车站换乘段、东端明挖段各层均满足最大层间位移角限值要求，结构整体抗震性能良好。抗震计算结果应与静力计算结果进行对比，对结构受力不利的地方应进行设计加强，确保设计安全。同时，在不同地质条件下，车站位移及位移角应有差别。因此，抗震设计过程中应充分考虑不利地层的影响，对结构薄弱位置进行加强设计，提高结构横向刚度，确保结构安全本研究成果可为类似双线换乘、前后结构形式存在变化的车站提供参考。
参考文献：
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作者简介：
郑凯晨，男（1992~），广东省广州市，硕士研究生，现从事轨道交通工程及地下工程设计及建设工作；简历：2016～至今 广州地铁设计研究院有限公司 结构设计
论文作者:郑凯晨
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/8
标签：车站论文; 结构论文; 位移论文; 地震波论文; 模型论文; 曲线论文; 加速度论文; 《基层建设》2019年第11期论文;