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摘要：城市轨道交通的抗震设计要解决复杂的地理地质环境问题，同时还要遵循轨道交通结构抗震设计规范，进行工程的设计和建设，其中要进行大量的地震工况核算，以符合轨道交通工程的抗震设计规范要求。本文结合地铁车站结构抗震设计和施工案例，对地震工况分析方法进行分析，期望对于提高地铁车站结构抗震设计水平具有参考价值。
关键词：地铁施工；结构设计；地震工况计算
引言
城市地下空间的综合开发利用处于快速发展时期，采用钢筋混凝土现浇结构，明挖法施工在施工中要确保能够应对地震影响，保证地下工程不损坏，对市政设施和周围环境无影响，还要保证遇到罕见地震时主要结构支撑体系不发生严重破坏且便于修复，不会发生重大事故。
1抗震设防分类和设防标准
我国地震动设计以设计基准期内超越概率来划分，铁路桥梁按多遇地震、设计地震、罕遇地震三个地震动水准进行抗震设计。根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》，本工程属于重点设防类。根据《铁路工程抗震设计规范》，该工程抗震设防类别为D类，根据《地铁设计规范》横向单柱或双柱的高架车站墩柱结构，抗震设防类别应划为B类。因此将类别提高为B类，计算原则按《铁路工程抗震设计规范》执行。
2地铁车站结构施工概况
依据住房和城乡建设部下发的公用设施抗震设防专项论证技术要点及相关规范，本工程按Ⅶ度抗震设防烈度要求进行抗震验算，抗震设防分类为乙类，抗震等级为三级，设计基本地震加速度值为0.10g（特征周期为0.35s）。场地结构不规则，土层可液化，第四系土层上部为人工填土层，其冲积-洪积土层的透水性及富水性弱，透水性及富水性分布不均匀，场地内上部冲积-洪积砂层的透水性及富水性强，残积土或岩石全风化带含较多风化残留的粗颗粒。下伏基岩为岩全风化带以及白垩系红色碎屑岩残积土层，属于白垩系上统大塱山组黄花岗段地层，含少量地下水，冲洪砂层、积土层，下部为残积土层。场地内地下水位埋藏较浅，埋深范围1.80～2.80m，平均埋深2.40m，但当时，其渗透性对工程施工有一定的影响。
3地下结构抗震设计特点分析
3.1地震系数法
该方法是将地震动荷载简化为结构与土体的惯性力、主动侧压力增量、土体抵抗力3种静力荷载进行抗震计算，忽略了土层刚度对结构变形的控制，且惯性加速度的取值过于粗糙，会引起较大计算误差；仅在结构刚度与土层刚度符合某种关系时才能得到较高精度的计算结果。
3.2自由场变形法
将地震作用下结构位置处的自由场变形直接施加在结构上作为等效荷载计算，忽略了地下结构的存在对土层自由变形的影响，地震荷载形式过于简单，没有考虑到结构与土层之间的刚度差，误差相对较大。
3.3反应位移法
将地震荷载等效为结构惯性力、地震剪应力和结构相对位移3种拟静力荷载，土与结构之间的相互作用通过设置弹簧模拟，其参数取值可参考日本铁路抗震设计规范等相关文献。由于考虑了地下结构在地震作用下的反应特点，可以比较真实地反映结构的受力特征，是一种比较有效的设计方法。
3.4反应加速度法
采用地层结构模型，将一维土层地震反应分析得到的结构顶底板处发生相对最大位移时的水平加速度，施加在土层和结构相应埋深位置处，通过产生的水平惯性力来模拟地震作用。这种方法可以反映土与结构间的相互作用，可考虑复杂断面结构形式与地质条件的影响。
3.5地震土压力法
基于极限平衡理论推导出在极限破坏状态下的地震土压力的合力，但不能正确评价地震土压力的分布和作用点，不适用于有一定埋深的地下结构地震土压力计算。
3.6地下结构Pushover分析法
在反应加速度的基础上，对设计地震动参数进行了改进，对带有附加自由场的土-结构有限元模型逐步施加倒三角水平惯性加速度，直至附加自由场模型达到目标位移，即自由场反应中地面与基岩间的峰值相对位移。此方法仅适用于地质条件及结构形式简单的抗震计算，施加的倒三角形荷载形式在土层条件复杂时与实际地震反应有所区别。
3.7土-结构相互作用系数法
以自由场变形法为基础，考虑土-结构的相互作用，将自由场变形乘以土-结构相互作用系数β，作为地下结构在地震作用下的变形，按照强制位移或转化为等效荷载直接作用于结构一侧。此方法只考虑了土-结构的柔度比，而忽略了结构埋深、结构尺寸以及地震波类型等的影响。
4抗震设计依据标准
抗震设防目标依据城乡建设部下发的《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）》相关规范如下：
（1）市政地下工程当遭受低于本工程抗震设防烈度的多遇地震影响时不损坏，对市政设施和周围环境正常运营无影响；
（2）当遭受相对于本工程抗震设防烈度的地震影响时，市政地下工程不损坏或仅需对非重要结构部位进行一般修理，对周围环境影响轻微，不影响市政设施正常运营；
（3）当遭受高于本工程抗震设防烈度的罕遇地震（高于设防烈度Ⅰ度）影响时，市政地下工程主要结构支撑体系不发生严重破坏且便于修复，无重大人员伤亡，对周围环境不产生严重影响，修复后市政设施可正常运营。
5抗震设计方法
（1）《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）
中关于地震效应的计算方法有反应位移法弹性时程方法、地震系数法、非线性时程方法等几种。根据标准本站为抗震设防为重点设防类（乙类）。可以通过采用反应位移法进行抗震效应计算。结构分析采用平面应变分析模型适用于本站分布均匀、规则且纵向较长的特征被选用。
（2）土层位移计算方法。
计算采用MIDASGTSNX软件，结构覆土取3m，地层模型尺寸取不小于三倍车站尺寸，即地层模型尺寸为990×650×300m。土体采用3D实体单元，车站结构采用板单元，边界采用阻尼曲面弹簧。
（3）当工程遭受低于本工程抗震设防烈度的多遇地震影响时，对于市政地下工程不造成损坏而且对市政设施正常运营及周围环境无影响；
地震加速度曲线根据《××市轨道交通××号线工程场地地震安全性评价报告×××工程防震研究院2013年6月》分别选取概率63%、10%、2%的三组曲线输入进行时程分析，将3条实际记录的加速度时程曲线调幅至设防烈度，作为地震波输入，如图1所示。
结语
在地震多发地段建设地铁车站，要对地震破坏进行充分的考虑、计算和分析，根据抗震设计规范中关于抗震构造的措施要求，结合地质构造进行合理的设计和强化，以达到抗震设防的目标。关于地铁车站抗震研究，目前的理论研究尚存争议，众多计算方法，对于参数的取值结果存在差异性。建议在进行地铁车站结构抗震设计的时候，应在运用结构抗震设计和计算分析方法上相辅相成，共同围绕抗震结构布置和构造展开工作。通过科学测试数据为依据进行施工对提高地铁车站防震具有重大意义。
参考文献：
[1]翟杰群.地铁车站结构抗震设计的分析研究[C].2013城市地下空间综合开发技术交流会论文集，2013：73~75.
[2]孙浩，吴晓顺.地铁车站抗震设计反应位移法计算分析[J].现代城市轨道交通，2016（3）：65~68.
论文作者:张铁
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/24
标签：结构论文; 土层论文; 位移论文; 荷载论文; 烈度论文; 车站论文; 加速度论文; 《防护工程》2018年第27期论文;