地铁车站结构抗震设计计算方法及必要性

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地铁车站结构抗震设计计算方法及必要性

曹萌芽 苏云肖

中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133

摘要：针对我国商缺少完善的地铁下结构抗震计算方法，在分析目前我国地铁等地下结构抗震研究基础上，重点阐述了需要解决的抗震设计计算方法。

关键词：地铁车站；结构抗震设计；计算方法；必要性 中图分类号：TU93；TU921 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)42-0135-02

1 地铁车站结构抗震计算方法

抗震设计是地铁车站结构设计中非常重要也是相对薄弱的环节。一方面，当前对于地下结构的地震响应与震害机理的认识还不够明晰；另一方面，尚缺乏指导设计广而认可的实用分析和计算方法。地铁车站结构抗震计算方法主要分静力法和动力法，静力法是将随时间变化的地震力或地层位移用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移，该法是比较简单实用的抗震计算方法；动力法又称动的解析法、时程分析法，将车站结构和周围土体作为一个整体在基岩输入地震波来分析，考虑了结构-土的动力相互作用，直接从运动微分方法出发，用数值方法逐步积分，可以获得结构在整个地震作用中的状态变化情况，能比较真实地再现结构在地震时的动力反应，该法能够处理土层的各向异性、材料的非线性以及各种不同的边界条件等问题，因而该方法是地下结构抗震分析方法中最为精确的方法，但计算量相对较大、较为耗时。

本节系统总结了目前国内外常用的地下结构抗震设计计算方法，静力法的震度法、反应位移法及动力法的动的解析法等。

1.1 震度法

震度法又称地震系数法，国内《铁路工程抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》地下结构部分的抗震计算采用了震度法。将地震动的作用等效为静力荷载进行抗震计算，等效静荷载包括主动土压力增量、结构惯性力以及上覆土体惯性力，其中结构惯性力：

F=（a/g）·W=K·W

式中：a 为作用于地下结构的地震加速度，g 为重力加速度，W 为结构自重，K 为地面运动加速度峰值与重力加速度g 的比值，即设计水平震度。

震度法用于地下结构抗震计算具有一定的缺陷，该法认为惯性力是影响地震反应的主要因素，忽略了土体对结构的约束作用，没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互作用等。一般结构刚度大、变形小，重量比周围土层大很多，结构的惯性力起到支配作用时，可近似采用该法进行横截面抗震设计。

1.2 反应位移法 20 世纪70 年代，日本学者通过对地下结构在地震中的反应观测入手，提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。该方法以一维土层地震反应计算为基础，认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土层的变形而不是结构物的惯性力，将结构所在位置土层在地震时产生的最大相对变形通过地基弹簧以静荷载的形式作用在结构上，以此计算结构反应。将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，能反映结构刚度与土层刚度的不同并定量地表示两者的相互作用，结构可采用梁单元建模。

土层相对位移的作用，可转化为施加于侧墙的等效集中力。结构惯性力根据一维土层地震反应的加速度乘以结构质量。结构周围土层剪力由一维土层地震反应分析得到，其中侧墙剪力为一维土层地震反应分析的结果加权平均。这种方法一般应用于水平成层地层，但考虑到了地下结构反应的特点，能够较为真实地反映结构的受力特征，是一种有效的设计方法。

1.3 动的解析法

动的解析法又称时程分析法，在数学上可称步步积分法，是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分，求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程的一种动力分析方法。

该法分析时，结构与周围土层相互作用体系可被简化为由一系列单自由度体组合而成的多自由度体系，其动力平衡方程可表示为：

[M]{U"} + [C]{U'} + [K]{U} = {F}式中：[M].[ C]，[K]分别为体系的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；{U"}、{U'}、{U} 分别为加速度向量、速度向量和位移向量，{F}为荷载向量。对于非周期性的地震作用，初始时刻的结构体系的速度和位移一般为零，求解上式可得结构体系的瞬态反应。而采用逐步积分法求解，可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。动的解析法需要按照实际地铁车站的场地条件、设防烈度、抗震等级等因素，选取若干条具有不同特性的典型强震加速度时程曲线，作为设计用的地震波输入；根据结构体系的力学特性、地震反应要求建立合理的结构振动模型，并选择恰当的构件恢复力模型反映结构材料特性、构件类型和受力状态，在此基础上建立车站结构在地震作用下的振动微分方程，通过逐步积分法求解振动方程得出结构在

地震作用下反应的全过程。

由时程分析可得到结构随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进而计算出构件内力的时程变化关系。由于此法是对运动方程直接求解，又称直接动力分析法。它与震度法、反应位移法的最大差别是能计算结构构件在每个时刻的地震反应，如内力、变形及位移等，适用于任意的地下结构类型，也是地下结构抗震分析方法中最为精确的

2 地铁车站结构抗震必要性

目前我国对地铁车站及区间隧道等地下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下结构由于受到地层的约束，地震时构件不大可能出现交变内力，无须特别考虑抗震构造措施；当地下结构与地面建、构筑物合建时，才需按地面结构的抗震要求考虑构造措施。另一种观点认为基本可以照搬地面民用建筑结构的要求，例如，抗震设防烈度7度的城市，即按8度采取相应构造措施，并将抗震等级提高一级。比较看来，这两种观点都有一定的片面性，前者完全忽视了地震对单建地下结构可能造成的破坏；后者又完全把地下结构等同于地上结构。实际上应该区别不同的围岩条件和施工方法，根据地下结构在地震作用下的受力和破坏特点有针对性地采取抗震措施。抗震构造措施是提高罕遇地震时结构整体抗震能力、保证其实现预期设防目标、延迟结构破坏的重要手段，它可以充分发掘结构的潜力，在一定条件下，比单纯依靠提高设防标准来增强抗震能力更为经济合理。

目前GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定，建筑物选址应避开地震活断层，以防止地震时断层运动而引起的破坏。对于地上单建的建筑结构，这一方法是可行的。地铁地下车站作为地铁系统中的关键枢纽，也可以通过合理的选址方案，避开地震活断层。但是地铁线路走向基本上取决于

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2015年42期 135