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摘要：地铁车站抗震设计是保证地铁安全施工与运营的重要环节，由于地质条件的特殊性，对地铁车站的抗震性能要求也更为严格。研究表明，车站周边土体与车站结构的动力相互作用将明显改变场地周围土体的动力反应特性，进而影响地铁车站乃至周边地表建构筑物的稳定，若不采取有效的防护措施，将给车站的施工乃至后期运营带来安全隐患。
关键词：地铁车站结构；抗震设计；探究
引言
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，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。
1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。
2概述
考虑到我国是地震多发国家，需对地下车站进行抗震分析。现阶段采用的反应位移法、反应谱法等，都能近似地对地下车站结构进行抗震分析，满足抗震设计的需求。但对于半地面车站，尤其是增加了车站跨度的侧式站台车站而言，还没有可以借鉴的资料。因此，对半地面车站结构进行抗震分析，完善各类地铁车站抗震的构造措施，具有十分重要的工程应用价值。
研究半地面地铁车站的抗震，首先要分析地下结构与地上结构震动响应规律的不同之处，主要有以下几点：①地下结构由于受到周围土层的约束，其自身不会表现特别明显的振动特性，但地面建筑则会呈现明显的自身振动特性；②较小的地震波入射角度变化就会造成地下结构较大的震动响应，而地面建筑则受此影响较小；③地下结构的振动响应主要受周围土层的应变或变形影响，而地震加速度则与地面建筑受震产生的振动反应关系紧密。
总体来说，地下结构的振动响应主要来自于地下结构和周围土层相关作用关系；地上建筑结构形状、质量、刚度等自振特性的变化，则对地面结构反应的影响很大。
3地铁车站结构抗震设计
3.1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。
图 1 D29 地面孔位反应谱和加速度反应时程（水平）
3.2振动台实验技术
振动模型试验是研究地下结构地震反应与抗震性能的重要途径，主要包括普通振动台试验和离心机振动台试验。普通振动台试验是目前应用最为广泛的结构抗震试验方法，近年来，国内学者对地铁等地下结构的地震反应进行过多次振动台试验研究，取得了一定的研究成果。但普通振动台模型试验是在1g的重力加速度环境下进行的，由于模型与原型相比几何尺寸缩小到几分之一，因此在正常重力条件下，模型的应力水平尤其是自重应力水平与原型有一定差距。对于土-结构相互作用系统，由于土体为强非线性材料，其剪切模量为剪应变的函数，应力应变水平对土体承载力和变形有较大影响，因此振动台试验结果与实际情况相比可能会有一定差距。但是振动台设备在国内数目相对较多，这为普通振动台试验的开展创造了有利的条件，因此，普通振动台试验今后仍将在研究地下结构地震反应与抗震性能方面发挥巨大的作用。对于普通振动台试验，如何能够更好地模拟原型结构与原型地基土体的应力水平尤其是自重应力水平，需要在模型相似设计、试验材料选取、配重施加等方面进行深入研究。
离心机振动台试验通过增加模型的场加速度，可以模拟出与原型相等或相近的应力水平，逼真重现原型的物理特性，在再现动力反应、观测物理机制、检验评价方法以及对比设计方案等方面具有突出的优越性，在欧美、日本等发达国家得到了广泛的应用。目前，动力离心模型试验技术已在国内岩土工程地震问题的研究中得到应用，并取得了良好的效果。
3.3振动台实验相关实例
振动台模型试验由于尺寸的不足而必然涉及到模型与原型的相似问题，在地铁地下结构振动台试验中相似问题包括：模型结构的相似、土的相似以及土与结构相互作用的相似。进行一般工程结构振动台试验时，模型完全相似就难以满足，再加上土以及地铁结构与土相互作用相似问题，做到完全满足相似率的要求就更加困难了，但通常可以根据研究目的的不同，保证主要参数满足相似关系，或采取相关技术措施（采用配重来增加重力加速度）等途径近似满足，而次要参数相似比尽量与主要因素接近。在动力相似方面，以Harris为代表的学者对振动台上的动力相似理论进行了一系列的研究和探讨，发展了结构动力模型试验技术，但国内外对于结构-地基相互作用体系的动力相似研究还相对较少，仅吕西林通过对两种不同缩尺的振动台试验对比分析，对其进行了初步探讨。
通过对地铁车站进行振动台模拟实验，试验过程中遇到的技术难题包括对地铁车站纵向长度的模拟，场地土的动力特性与地震响应的模拟，模型箱的构造与边界效应的模拟，以及量测元件设置位置的优选等。
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。通过对采用反应位移法进行地下结构地震反应，通过对几组地震波的计算数据统计分析，对移统计分析得知水平方向地震作用下结构横断面层间位移差均较小，最大位移发生在三层段地下一层，最大层间位移角为1/815，小于1/250，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:周元元
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/30
标签：结构论文; 车站论文; 地铁论文; 土层论文; 模型论文; 振动台论文; 位移论文; 《防护工程》2019年8期论文;