黄榜新
（同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 200092）
摘要: 《地铁设计规范》明确要求，大型地下枢纽站及形状不规则的复杂地下车站结构应进行地震作用分析。地震作用分析方法常采用反应位移法、惯性力法 ，对于结构体系复杂、体型不规则以及结构段面变化较大时，应采用动力分析方法进行补充分析计算。对于常规的标准地铁车站，反应位移法及惯性力法通常是首选，本文试图通过空间模型的动力时程分析方法，对复杂的地下换乘车站进行地震作用分析，为类似的换乘地下车站的抗震分析提供设计依据。
关键词：地震作用，复杂结构，换乘车站，时程分析
1. 引言
近年来，轨道交通在我国蓬勃发展，各大、中城市纷纷进行轨道交通建设，地铁的建设极大缓解城市交通压力,为居民出行提供方便。但以往的地铁设计中，往往只进行常规荷载(恒+活)静力状态下的设计分析，而忽略地震作用分析。而我国是一个多地震国家，很多大中城市位于地震高烈度区，倘若发生地震，地铁车站结构有可能由于设计时忽略地震作用而遭受地震破坏。地铁车站不像常规的地面建筑，检测、维修和加固方便。由于地铁车站深埋于地下，周边环境一般较为复杂，地铁震后破坏的修复工作难度极大，并且地铁车站作为城市的应急场所功能也丧失殆尽。因此，地铁等地下结构的地震作用分析显得尤为重要。本文试图通过某换乘车站的地震作用分析，为类似的换乘地下车站的抗震分析提供设计依据，并提出一些实用、可靠的的抗震构造措施。
2. 工程概况
本工程为1、2号线换乘站，采取十字换乘方式，1号线在下、2号线在上。1号线沿东西方向铺设，2号线沿南北方向铺设，1号线为岛式站台，2号线为侧式站台。站址情况如下图1所示：
图1 车站总平面图
1号线车站主体长181.2米（内径），标准段宽23.7米（内径）； 1号线车站总高约28.59m，结构底板埋深约30.00m； 2号线主体车站长179.835米（内径），标准段宽35.88米（内径）。2号线根据线路需要，底板由南往北找坡，南端头井处底板埋深21.25米，有效站台中心里程处底板埋深23.20米。1、2号线结构顶板覆土约1.5米左右，局部覆土厚3米。1号线车站主体为明挖地下三层(不含夹层)岛式车站，采用岛式双柱三跨箱形框架结构；2号线车站为明挖地下二层(不含夹层)侧式三柱四跨箱型框架结构；形成由边墙、立柱、梁板组成结构体系，顶板、中板承受竖向荷载，通过纵向主梁下的柱子和边墙将荷载传递到底梁和底板。车站结构主要截面尺寸见表。
车站主体结构主要截面尺寸表：表1
3. 工程地质及设计参数
根据地勘资料，本工程土层分别为填土层、黄土状粉土层、粉质粘土层、粉土层、卵石层，1、2号线的结构底板均位于卵石层。场地内黄土状粉土层、填土层均具有湿陷性，湿陷等级为Ⅱ级自重湿陷性。卵石层中的卵石成份以变质砂岩和砂岩为主，中等风化，卵石颗粒呈叠瓦状排列，中密，属于较好的持力层。场地土层中无液化土层。因此本工程基础采用天然基础。
根据地勘资料，该场地覆盖层厚22.0～24.0米，其等效剪切波速为252.0～275.3m/s，场地无液化土层。所以根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)，本场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.45s。
根据地铁规范、地铁建筑的抗震设防分类不低于重点设防类，因此本工程抗震设防类别为乙类，结构抗震等级二级。
4. 抗震设计分析方法分类
地铁抗震设计中地震效应的计算方法有惯性力法、反应位移法、线性反应谱方法、弹性时程方法、非线性时程方法等。参照《地下铁道设计与施工》（施仲衡等主编）第3.3.2.4及3.3.5节及《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）（2009年版）第八章，地震对地下结构的影响概括的讲有两个方面，即剪切错位和振动。剪切错位通常都是基岩的剪切位移所引起，一般发生在地质构造带附近，而可以想见用结构来约束较大的土体位移几乎是不可能的，有效的办法是尽量避开这些敏感部位。因此，现阶段地下车站结构的地震作用分析均是假定土体不会丧失完整性的前提下，局限于考虑其振动效应。对一般的地下车站结构抗震设计和抗震稳定性检算均可采用惯性力法或反应位移法。
本工程抗震设防为重点设防类（乙类），抗震设计时，首先采用惯性力法或反应位移法进行抗震效应计算，由于地铁结构的特殊性，其纵向刚度较强，假定纵向无限刚，因此结构分析时可以简化为采用平面应变分析模型，求出各截面的内力，从而进行结构设计。平面分析中主要取车站结构标准断面和两端的端头井等重要截面作为典型截面进行抗震分析。但是由于本站属于换乘站，不同于一般的标准车站，换乘节点区空间效应明显，结构体系复杂，体型不规则，因此除了采用常规的地震作用平面分析模型外，尚需采用空间分析模型加以分析计算，确保结构设计的安全、可靠。
采用惯性力法或反应位移法进行地下车站结构横向地震反应计算分析的原理及结果，在相关文献、规范中均有描述，本工程在地震分析中也采取惯性力法进行平面分析，但由于篇幅原因，本文不再详述，本文着重对空间模型的动力时程分析过程进行剖析。
4 主体结构空间模型时程分析
4.1 地下结构时程分析基本要点
参考《地下铁道建筑结构抗震设计规范》（DG/TJ08--2064-2009上海市工程建设规范）以及《地铁设计规范》，采用时程分析方法时，需根据建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的天然波和一组人工模拟波。本工程时程分析采用3条时程曲线，选取3条II类场地地震波：其中含人工模拟波RH2TG045，实际地震记录地震波TH1TG045、TH4TG045，输入地震的加速度最大值为70cm/s2。
时程分析计算时，考虑水平和竖向地震波的影响，其加速度最大值按照水平方向(X)：水平方向(Y)：竖向(Z)=1：0.85：0.65的比例取值。计算模型的侧面人工边界为距车站结构不小于3倍水平有效宽度，底面人工边界取距车站结构不小与3倍竖向有效高度，顶面取至实际地平面。Midas GTS计算模型如下图2所示。
4.2 时程分析计算结果
4.3时程分析抗震验算结果
1）计算结构层间位移最大为0.0008~0.0003，均满足规范要求的弹性层间位移限值1/550，说明结构整体设计合理，抗侧刚度较好。
2）通过静力作用和地震作用下的各组合工况验算，各构件截面尺寸及配筋均由准永久荷载组合作用下的裂缝计算控制，抗震工况不起控制作用。结构构件截面设计均满足规范的要求。
3）经空间模型弹性时程分析验算，所选三条地震波作用下，地震作用下本工程整体变形及内力分布较为均匀，无特别薄弱部位。地铁结构楼层最大弹性位移、最大层间位移角满足规范要求；三组地震波作用下，地铁结构各构件的内力值均小于静力计算下的结构内力值，因此，本工程地震工况不起控制性作用。
综上所述，本工程结构满足地下铁道建筑的抗震设防目标。
5 结论
对于矩形框架结构的换乘车站，宜采用现浇钢筋混凝土结构，避免采用装配式和部分装配式结构。由于地铁车站属于长条形结构，为了尽量满足纵向无限刚的假定，需要保证地铁侧墙与各层楼板的连接刚度以及纵梁、楼板与中部框架柱的连接节点刚度、强度及延性。中部框架柱、框架梁的截面不宜过小，框架柱、梁转换成等效刚度截面的纵向墙体的截面，应保证不小于两侧侧墙的截面的1/3。
对于出入口接主体结构处等有可能存在薄弱部位的重点部位，应优化施工步序和现场组织，加强开洞处洞门环梁设计，完善结构受力转换体系，对垫层提出较高的施工要求，保证结构承载力和安全性，同时采取必要的辅助施工措施。
针对本工程特点，从结构计算分析、结构抗震概念设计和构造几个方面，采取对策和措施确保工程的安全、可靠、经济。
1）结构体系
结构的侧向刚度和侧向承载力沿纵向变化较少，抗侧结构的竖向布置应满足规则、对称的要求。各层楼板的负弯矩钢筋至少有50%锚入地下侧墙，加强框架结构的整体性。
2）结构材料及构件构造
结构的混凝土及钢筋的选用均应满足抗震性能指标。梁、板、柱等构件的抗震构造措施，均应满足相对应的抗震等级的框架结构的构造要求。
3）楼板结构
楼板孔洞处设置边梁等构件加固边缘，避免局部突变并满足配筋率等构造要求，并要求洞口边沿板厚、配筋适当加强。
4）换乘节点区处理
该区域梁板按照空间结构分析计算配筋，板厚适当加厚，板配筋按照双向板配筋设置，并适当提高该区域板的配筋率；换乘节点区的框架柱尽量采用劲性柱，并加强梁柱节点区配筋，若采用梁水平加腋，箍筋加密等措施，保证该范围内纵横向刚度不削弱。
对于复杂的、平面布置有一定的不规则性的结构，除了采用规范要求的平面结构有限元计算外，还应采用空间结构模型，以便了解地震作用下结构的内力和变形特点，寻找结构的薄弱部位以便进行针对性的加强。
参考文献：
[1] 《地铁设计规范》 GB50157-2013
[2] 《地下铁道建筑结构抗震设计规范》（DG/TJ08--2064-2009
[3] 《地下铁道设计与施工》 施仲衡等主编
[4] 《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）
论文作者:黄榜新
论文发表刊物:《中国住宅设施》2018年3月上
论文发表时间:2018/11/16
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