地下车站结构抗震分析方法概述论文_杨润峰

杨润峰

中铁第五勘察设计院集团有限公司 山东省青岛市 266000

摘要:随着城市建设发展,城市人口越来越多,给城市地上交通带来压力,地铁等地下车站成为缓解交通问题的重要形式。地下车站结构的地震反应特性明显区别于地上结构,地上结构是以惯性力为主的地震反应,而地下结构的地震反应是以相对位移及变形为主。本文对地下车站结构抗震分析方法做出说明,并对相对位移的反应位移法进行了详细的阐述,重点介绍了此方法的计算过程和所需参数,从而得到一些有益的结论。

关键词:地下车站;抗震分析;分析方法;反应位移法

引言

随着我国城市化的大规模的发展,人口聚集,人们也越来越认识到减轻城市交通压力只有通过建设地下交通设施才能解决城市交通问题。地铁以其独有的快捷和便利优势,在大多数经济发达城市的交通中发挥着不可替代的作用。地下车站结构的抗震分析和设计及其安全性评价日益受到密切关注。近年来,我国的地下车站建设发展迅速,地下结构的设计规范也日趋完善,但对地下车站结构抗震方面的研究相对欠缺。所以,研究地下结构的抗震问题具有重大意义。

一、地下车站结构抗震分析的意义

随着我国国民经济的快速发展,城市化进程不断加快,城市轨道交通的建设对于缓解城市交通压力的作用日益明显。目前,我国城市轨道交通工程运营总里 程约为1 800 km,运营车约为1200座,与地铁结缘的城市已达36个,一些二三线城市也积极准备进行城市道交通建设我国是一个地震灾害频发的国家,许多城市都位于地震带上,而地铁工程又是城市的生命线工程,一旦破坏,生命财产和经济损失巨大。

二、地下车站结构抗震的分析方法

目前对地铁地下车站结构的地震 反应研究还处于初级阶段,主要的计算方 法有地震系数法、弹性或弹塑性时程计算法、反应位移法等计算法。

1、地震系数法

地震系数法是一种从地面结构抗震设计方法类比而来的地下结构抗震设计法。该方法将随时间变化的地震力用等代的静力地震荷载代替,再用静力计算方法分析地震作用下的结构内力。当地下结构刚度大、变形小,重量比周围土层大很多时,结构的惯性力起到支配作用,可近似采用地震系数法进行计算。但地下车站由于自重相对于周边土体较小,惯性力不起支配作用,因此采用地震系数法大多是不合适的。

2、弹性或弹塑性时程计算法

弹性时程方法及非线性时程方法是目前最为先进的计算方法,但其技术要求相对复杂,计算中对土岩本构关系和边界条件的选取对计算结果的影响非常显著。因此,在一般地下车站的抗震计算中普遍采用该方法尚存在一定困难。

3、反应位移法

反应位移法基于一维土层地震反应分析,计算结果与实测结果比较吻合,可以反映土-结构间的相互作用,是发达国家目前普遍采用的地下结构抗震计算方法之一,强制位移(顶、底板间位移差值)施加在车站结构的两侧,通过地基弹簧将其转化为地震时结构周围的动土压力。结构同时施加由本身质量产生的惯性力,以及结构与周围地层的切向弹簧或剪切力,共同构成反应位移法计算的荷载系统。土层相对位移可转化为施加于侧墙的等效集中力。结构惯性力为加速度乘以结构质量。

地震对结构的影响包含三种荷载作用:结构顶、底板的相对位移,惯性力,结构周面剪力。建立反应位移法计算的有限元模型需要确定:①一维地震反应分析所需的各土层参数及条件,如场地土动剪切刚度、阻尼系数与剪应变的关系曲线,初始剪切刚度,土的重度、层厚,设计地震动参数等;②地基弹簧刚度;③地震反应位移(土体相对位移作用于结构的荷载);④惯性力;⑤结构周面剪力等。

三、反应位移法分析

下面重点分析反应位移法计算过程:

1.所需参数

(1)场地土应变关系曲线(G/G0~γ、h~γ)一般由场地安评报告提供。也可以对各站点场地土进行原状土取样,通过室内试验完成动三轴试验获得。

(2)土体初始剪切刚度、土的重度、层厚一般由地勘报告提供。

(3)设计地震动参数

①人工合成地震波:以基岩加速度反应谱和峰值为目标,用数值模拟的方法合成地震波。②满足设防烈度要求地震仪记录地震波波形。

2.地震荷载计算

(1)土层横向位移(计算中转化为施加于侧墙节点处的等效集中力):

①反应位移法中,作用于地下结构的地震外力就是周边土层的反应位移,该位 移可以通过一维地震反应分析得到。

②工程场地地震安全性评价报告会提供场地地震动位移随深度的变化结果,设计中可以直接采用其结果。

③如果没有对工程场地进行地震安全性评价时,可按《城市轨道交通结构抗震设计规范》确定位移随深度的变化。

底板处剪应力依此公式类推。

结束语:结合实际经验,反应位移法在地下车站抗震设计的可行性是最大的,也是应用最广泛的。本文对反应位移法进行了阐述,虽然目前国内地铁车站结构的抗震设计方法并不完善,地下车站是以相对位移及变形为主的地震反应,但是采用相对位移法是比较合适的。

参考文献:

[1]刘晶波,李彬.地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题[J].土木工程学报,2006,39(6):106—110.

[2]宋林,孟昭博.双层岛式地铁车站结构地震反应分析[J].世界地震工程,2010,26(2):187—192.

论文作者:杨润峰

论文发表刊物:《基层建设》2015年14期供稿

论文发表时间:2016/1/14

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